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第3章_振动系统的运动微分方程

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第三章(第1节) 单自由度系统的强迫振动

第三章(第1节) 单自由度系统的强迫振动


sin n t
n
k m
2
[sin t
n
sin n t ]
A sin n t sin n t sin t 2 k m n F0
当t=0时，x0= x 0 =0，上式简化为
x sin n t sin t 2 k m n F0
2 2 2
1 (1 ) ( 2 ) 2
2 2 2
(3.1-10) (3.1-11)
1
2
3.1 对简谐激励的响应
关于解的讨论——幅频特性曲线
放大因子与频率比的关系：
◆当频率比 <<1时，放大因子 接近于1，即振幅X几乎与激励 幅值引起的静变形X0差不多。
◆当频率比 >>1时， 趋于零， 振幅可能非常小。
图 3.1-6
3.1 对简谐激励的响应 例题：不平衡质量激发的强迫振动（例3.1-2） 例3.1-2 作为承受简谐激励的一个例子，考虑图3.16所示的不平衡转子激发的振动。两个偏心质量m/2以角 速度 按相反方向转动，这样可以使两个偏心质量激励 的水平分量相互抵消，铅垂分量则相加起来。设转子的 偏心矩为e，机器总质量为M，求系统的响应。 解：系统的振动微分方程为
x X sin( t )
根据方程（3.1-7）的稳态响应的幅值为
X me k
2
1
1
2 n
2 2
2
2
式中 n ，而 响应的相位角
k M
1
。根据方程（3.1-8）的稳态
2
2
tg
1
1

第3章 多自由度机械振动系统 作业答案

第3章 多自由度机械振动系统 作业答案

⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡ p1 ( t ) ⎤ ⎢x ⎥ = ⎢ p t ⎥ − k3 ⎥ ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎢ 2 ( )⎥ k3 + k 4 ⎥ ⎦⎢ ⎣ x3 ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ p3 ( t ) ⎥ ⎦ 0
d ∂T ∂T ∂U ∂D ( )− + + = Qi i ∂qi ∂qi ∂q i dt ∂q
2、拉格朗日法：
1 1 2 12 + m2 x 2 T = m1 x 2 2
U=
1 2 1 1 2 ⎤ k1 x1 + k2 (2 x2 − x1 ) 2 = ⎡ (k1 + k2 ) x12 + 4k2 x1 x2 + 4k2 x2 ⎣ ⎦ 2 2 2
Dr. Rong Guo
School of automotive studies, tongji university
⎡ k1r 2 K =⎢ 2 ⎣ − k1r
⎡3 2 ⎢ 2 Mr ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎣ 0
⎤ ⎥ ( k1 + k2 ) r 2 ⎦ − k1r 2
− k1r 2 ⎤ ⎡θ1 ⎤ ⎡0 ⎤ ⎥⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ θ 2 ⎦ ⎣0 ⎦ ( k1 + k2 ) r 2 ⎦ ⎣
⎤ ⎤ ⎡ k1r 2 ⎥ ⎡θ ⎥ ⎢ 1 ⎥ + ⎢ 3 −k r 2 θ Mr 2 ⎥ ⎣ 2 ⎦ ⎣ 1 ⎥ ⎦ 2
x1 2l + k1 x1 2l + m2 x2l = 0 ⎧m1 ⎨ ⎩m2 x2l + k2 ( 2 x2 − x1 ) 2l = 0 x1 + m2 x2l + 2k1 x1 = 0 ⎧2m1 ⎨ x2 − 2k2 x1 + 4k2 x2 = 0 ⎩ m2 ⎡ 2m1 ⎢ 0 ⎣ m2 ⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡ 2k1 ⎢ ⎥ + ⎢ −2 k m2 ⎥ x 2 ⎦⎣ 2⎦ ⎣ 0 ⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡0 ⎤ ⎢ x ⎥ = ⎢0 ⎥ 4k 2 ⎥ ⎦⎣ 2⎦ ⎣ ⎦

机械振动 第3章-单自由度系统的振动

机械振动 第3章-单自由度系统的振动

kx H sin(t ) m x
2 令 n k , h H 则 m m 2 x x h sin(t ) n
无阻尼受迫振动微分方程的标准形式 ，二阶常系数非齐次线性微分方程。
x x1 x2
x1 A sin( n t ) 为对应齐次方程的通解 x2 b sin(t ) 为特解 h h b 2 , x sin(t ) 2 2 2 2 n n h x A sin( t ) sin(t ) 全解为 n 2 2 n ：
——初相位，决定振体运动的起始位置。
T ——周期，每振动一次所经历的时间。
2 f —— 频率，每秒钟振动的次数， f = 1 / T，T 。 n n —— 固有频率，振体在2秒内振动的次数。
n 1 c fn 2 2 a
n反映振动系统的动力学特性，只与系统本身的固有参数有关。
则自由振动的微分方程的标准形式 ： 2
q q 0
其解为 也可以写成 有
q A sin(nt ) q C1 cos nt C2 sin nt
2 1 2 2
A C C
C1 tg C2
1
6
对于初始扰动引起的自由运动
=q 0 设 t = 0 时， q = q0 , q
单自由度系统无阻尼自由振动
一、自由振动的例子

J
k
实验确定转动惯量装置
5
二、单自由度系统无阻尼自由振动微分方程及其解 对于任何一个单自由度系统，以q 为广义坐标（从平衡位 置开始量取 ），则自由振动的运动微分方程必将是：
c a, c是与系统的物理参数有关的常数，令 a
2 n

振动力学(两自由度系统和多自由度系统)

振动力学(两自由度系统和多自由度系统)
两自由度是多自由度系统最简单的情况。
2
振动理论及应用
第3章 多自由度系统的振动
3.1 两自由度系统的振动方程 ——刚度矩阵和质量矩阵
建立运动微分方程的方法和单自由度系统基本一样, 但难 度更大。
3.1.1 运动微分方程
标准的m-k-c系统，对每一质量利用牛顿定律得：
3
振动理论及应用
坐标原点仍取在静平衡位置
具体求解时，只假设j坐标处的位移为1，其它各坐标的位 移均为0。
7
振动理论及应用
5.2.3 惯性影响系数与质量矩阵
第3章 多自由度系统的振动
质量矩阵[M]中的元素称为惯性（质量）影响系数，其 mij的力学意义是：仅在j坐标处产生单位广义加速度，需在i坐 标处施加的广义力。
具体求解时，只假设j坐标处的加速度为1，其它各坐标的 加速度均为0。
2
x1 5 kx1 5 kx2
V x2
2 5
kx1
1 5
kx2
26
振动理论及应用
第3章 多自由度系统的振动
计算广义力，设只有x1处产生虚位移x1，则
Q1
cx1 x1 x1
cx1
同样设x2处产生虚位移x2，则
Q2
c 0
x2
0
代入拉格朗日方程即可。
27
振动理论及应用
第3章 多自由度系统的振动
5l 3
48EI
k12
l3 3EI
k22
1
求出各个刚度系数即组 成刚度矩阵[K]。
17
振动理论及应用
第3章 多自由度系统的振动
用拉格朗日方程 建立振动系统的运动微分方程
对于非标准的m-k-c多自由度振动系统，用传统的动力学 方法建立运动微分方程比较困难，更适合使用拉格郎日方程和 能量的方法。拉格郎日方程为：

3振动系统的运动微分方程

3振动系统的运动微分方程
n
W ( j) Qj q j
若主动力为有势力，须将势能U表示为广义坐 标的函数。
4. 建立拉氏方程并加以整理，得出n个二阶常微 分方程。 5. 求出上述一组微分方程的积分。
Mechanical and Structural Vibration
3.2 拉格朗日运动方程 例 图示系统，摆的支点在水平方向受到弹性约束，其总刚 度为 k ，摆的质量为 m ，摆长为 l 。试用拉格朗日方程求出系 统的运动方程。 解： （1）选择x及 为广义坐标 （2）动能及势能
拉格朗日方程
d T T V Q i d t q q q i i i
( i 1 , 2 , , n )
图刚体微幅运动
计算拉格朗日方程中各项导数
d T T m x ; 0 d t x x
Mechanical and Structural Vibration
第二类拉格朗日方程
L L 代入拉氏方程： d ( ) 0( j 1,2, , k ) d t q q j j
d L L ( ) 0 d t x x
例 题
d L Ltural Vibration
第3章 振动系统的运动微分方程
3.2 拉格朗日（Lagrange）运动方程
Mechanical and Structural Vibration
3.2 拉格朗日运动方程
3.2.3 完整的保守系统的拉格朗日运动方程
拉格朗日方程提供了解决有限自由度完整系统运动的一个普遍 的简单而又统一的方法。
3.2 拉格朗日运动方程
d T T I ; 0 O d t
V k ( x a ) a k ( x a ) a k ( y a ) a k ( y a ) a 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4

机械振动 课后习题和答案 第三章 习题和答案

机械振动 课后习题和答案 第三章 习题和答案

3.1 如图所示扭转系统。

设12122;t t I I k k ==1．写出系统的刚度矩阵和质量矩阵；2．写出系统的频率方程并求出固有频率和振型，画出振型图。

解：1)以静平衡位置为原点，设12,I I 的转角12,θθ为广义坐标，画出12,I I 隔离体，根据牛顿第二定律得到运动微分方程：111121222221()0()0t t t I k k I k θθθθθθθ⎧++-=⎪⎨+-=⎪⎩ ，即：1112122222122()00t t t t t I k k k I k k θθθθθθ⎧++-=⎪⎨-+=⎪⎩所以：[][]12212220,0t t t t t k k k I M K k k I +-⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦系统运动微分方程可写为：[][]11220M K θθθθ⎧⎫⎧⎫⎪⎪+=⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎩⎭⎩⎭………… (a)或者采用能量法：系统的动能和势能分别为θθ=+2211221122T E I I θθθθθθθ=+-=++-222211212121221121111()()2222t t t t t t U k k k k k k求偏导也可以得到[][],M K由于12122;t t I I k k ==，所以[][]212021,0111t M I K k -⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦2)设系统固有振动的解为： 1122cos u t u θωθ⎧⎫⎧⎫=⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭，代入（a ）可得：[][]122()0u K M u ω⎧⎫-=⎨⎬⎩⎭………… (b)得到频率方程：22121211222()0t t t t k I k k k I ωωω--==--即：224222121()240t t I k I k ωωω=-+=解得：21,222ω==所以：1ω=2ω= ………… (c)将（c ）代入（b ）可得：112121211122(22220(22t t t t t t k k I k I u u k k k I I ⎡⎤±--⎢⎥⎧⎫⎢⎥=⎨⎬⎢⎥⎩⎭⎢⎥--⎢⎥⎣⎦解得：11212u u =-；12222u u =令21u ，得到系统的振型为：-0.70710.70713.2 求图所示系统的固有频率和振型。

3振动系统的运动微分方程

第3章 振动系统的运动微分方程
机械与结构振动
Mechanical and Structural Vibration Mechanical and Structural Vibration
制作与设计 贾启芬
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第3章 振动系统的运动微分方程
3.1 牛顿定律和普遍定理 3.2 拉格朗日运动方程 3.3 刚度影响系数 作用力方程 3.4 柔度影响系数 位移方程
1 δ 13 k1 1 δ 23 = k δ 33 11 k1
1 k1 1 1 + k1 k 2 1 1 + k1 k 2
1 1 + k1 k 2 1 1 1 + + k1 k 2 k 3 1 k1
Mechanical and Structural Vibration
K =K
Mechanical and Structural Vibration
T
第3章 振动系统的运动微分方程
3.4 柔度影响系数 位移方程
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
在单自由度的弹簧—质量系统中，若弹簧常数是 ， 在单自由度的弹簧 质量系统中，若弹簧常数是k，则 质量系统中
画出各物块的受力图根据平衡条件， 画出各物块的受力图根据平衡条件，有
k11 = k1 + k 2，k 21 = −k 2，k 31 = 0
Mechanical and Structural Vibration
3.3 刚度影响系数 作用力方程
同理， 同理，令 x1 = 0，x 2 = 1，x 3 = 0
&& && && m11 x1 + m12 x 2 + ⋅L+ m1n x n + k 11 x1 + k 12 x 2 +L+ k 1n x n = 0 m x + m x +L+ m x + k x + k x +L+ k x = 0 21 &&1 22 &&2 2 n &&n 21 1 22 2 2n n LL mn1 x1 + mn 2 x 2 +L+ mnn x n + k n1 x1 + k n 2 x 2 +L+ k nn x n = 0 && && &&

第三章二自由度系统

为了完全确定物体的位置而选定的任意一组彼此独立的 坐标参数，称为这个物体的广义坐标。在选定坐标时，除去 直角坐标Ｘ、Ｙ、Ｚ之外，我们也可以用角度φ、θ及从物体 中的一点到某些固定点的距离等参数来确定物体在空间的位 置。
二自由度系统振动 / 不同坐标系的运动微分方程
以汽车的二自由度振动模型为例
汽车板簧以上部分被简化成为一根刚性杆，具有质量m和绕质心 的转动惯量Ic。质心位于C 点。分别在A点和B点与杆相联的弹性 元件k1、k2为汽车的前，后板簧。
若系统有 n 个自由度，则各项皆为 n 维矩阵或列向量
二自由度系统振动 / 运动微分方程
式中：
[M
]

m11 m21
m12
m22


m1

0
0
m2

[K
]

k11 k 21
[C]

c11 c21
k12
k
22


k1 k2

k2
c12
c22
2 ET x1x1

2 ET x12
m1
m12

2 ET x1x2

2 ET x2x1
m21
0
m22
2ET x2x2

2 ET x22
m2
[M
]

m11 m21
m12
m22


m1

0
0
m2

二自由度系统振动 / 能量法
(t ) (t)
如同在单自由度系统中所定义的，在多自由度系统中 也将质量、刚度、位移、加速度及力都理解为广义的。

第三章-多自由度系统振动6.19

第三章 多自由度系统振动多自由度系统和单自由度系统的振动特性是有区别的。

单自由度系统受初始扰动后，按系统的固有频率作简谐振动。

多自由度系统有多个固有频率，当系统按某一个固有频率作自由振动时，各独立坐标在振动过程中相互关系是固定的，这个关系叫振幅比，也叫作主振型或模态。

主振型是多自由度系统以及弹性体振动的重要特征。

多自由度系统的振动方程是多个二阶微分方程组，这些方程一般是耦合的。

多自由度振动的求解有两种方法：直接积分法和振型叠加法。

直接积分法可直接根据微分方程求出响应，涉及的概念不多且有应用软件，本章不做介绍。

振形叠加法要先求出系统的固有频率和振型，在此基础用叠加法求响应，物理概念清楚、并且是模态分析与参数识别的理论基础。

因此本章将先用较多的篇幅介绍多自由度系统的固有振动特性、振型叠加法和传递函数。

3.1 振动微分方程虽然一些多自由度系统数目较多，有些相当复杂，但建立多自由度系统振动微分方程并没有新理论和方法，都是动力学基本理论和方法，本节只通过例题介绍多自由度系统振动微分方程基本形式。

[例一] 试建立图3-1所示3自由度系统的运动微分方程。

三个质量只作水平方向的运动，并分别受到激振力()t P 1，()t P 2和()t P 3的作用，质量块的质量分别为1m ，2m 和3m ，弹簧刚度分别为1k ，2k 3k 和4k ，阻尼分别为1c ，2c 3c 和4c 。

图3-1 3自由度系统解：分别用三个独立坐标1x ，2x 和3x 描述三个质量块的运动，坐标原点分别取在1m ，2m 和3m 的静平衡位置。

质量块的速度分别为1x，2x 和3x ，加速度分别为1x，2x 和3x 。

每个质量块的受力图如3-2（a 、b 、c ）所示，则由受力图根据牛顿第二定律，得系统的运动方程为：图3-2 (a) 图3-2(b)图3-2(c))()()(1212112121111t P x x c x c x x k x k xm +------= )()()()()(232321232321222t P x x c x x c x x k x x k x m +---+---= )()()(3343233432333t P x c x x c x k x x k xm +--+--= 或)()()(1221212212111t P x k x k k x c x c c xm =-++-++ )()()(23323212332321222t P x k x k k x k x c x c c x c x m =-++--++- )()()(3343233432333t P x k k x k x c c x c xm =++-++- 上述方程组可以用矩阵表示为：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+--+--++⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+--+--++⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡)()()(000032132143333222213214333322221321321t P t P t P x x x k k k k k k k k k k x x x c c c c c c c c c c x x x m m m三个二阶微分方程是耦合的，这是因为矩阵中有非零的非对角元素。

结构动力学-多自由度系统振动


k 2k
y1 y2
0 0
m
M
0
0
k
m, K k
k
2k
解：①由频率方程求固有频率
K 2M 0 k m2
k 0
k 2k m2
展开上式得：(k m2 )(2k m2 ) k 2 0
2 1, 2
3k m
9k 2m2 4k 2m2 2m2
1 0.62
k, m
2 1.62
M20 0
M 21
y2 0
M1y1
M11
列力平衡方程为：M11 M1y1 0 M11 M1 M 21 0, M 31 0
同样的分析可以求得：M12 0, M 22 M 2 , M 23 0; M13 0, M 23 0, M 33 M 3;
所以，得到质量矩阵为： M1 0 0
k2
k3
P
p1 (t) p2 (t)
二、柔度矩阵法 用柔度矩阵法或者刚度矩阵建立方程本质上也是基于力的 动平衡来建立方程，关键在于求柔度系数或刚度系数。
例题 3-2 梁的跨长为 l ,梁上有两个集中质量 M1 和 M 2 ，分别受 到集中力 p1 (t) 和 p2 (t) 的作用。不计梁自身的质量和阻尼，建立 系统的垂向振动方程.
上面的方程为惯性解耦，刚度耦合方程。
kij 的物理意义：j 坐标发生单位位移，其余坐标位移全部为
零时, i 坐标引起的恢复力。
mij 的物理意义：仅在 j 坐标发生单位加速度时,在第 i 坐标所产生 的惯性力.
用柔度矩阵法建立的一般方程：
Y (P MY)
两边同乘以 1
1Y 1(P MY)
例题:针对下图给出的系统，建立振动微分方程。
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最后令 x1 x2 0，x3 1
画出受力图，有
k13 0，k 23 k 3 ，k 33 k 3
Mechanical and Structural Vibration
3.3 刚度影响系数 作用力方程
因此刚度阵为
k1 k 2 K k2 0
k2 k1 k 3 k3
3.4 柔度影响系数 位移方程
k11 , k 21 分别表示保持系统在 图为 yC 1 , 0 时的受力图，
该位置平衡，应加在C点的力和力偶矩 由刚体AB的平衡条件得到
k11 k1 k 2
Mechanical and Structural Vibration
,
k 21 k1l1 k 2 l2
0 k3 k3
kij k ji
刚度矩阵一般是对称的。 实际上任何多自由度线性系统都具有这个性质。即
K K
Mechanical and Structural Vibration
T
第3章 振动系统的运动微分方程
3.4 柔度影响系数 位移方程
Mechanical and Structural Vibration
Mechanical and Structural Vibration
3.3 刚度影响系数 作用力方程
现分析求出图所示的三自由度系统的刚度矩阵。
首先令 x1 1 x2 x3 0 在此条件下系统保持平衡，按定义需加于三物块的力 k11、k 21、k 31
画出各物块的受力图根据平衡条件，有
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
写成矩阵形式
x1 11 12 x 2 21 22 x 3 31 32
13 m1 0 0 m 23 2 33 0 0
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
柔度矩阵与刚度矩阵之间的关系
K 1
即当刚度矩阵是非奇异时，刚度矩阵与柔度矩阵互为逆矩阵； 当刚度矩阵是奇异时，不存在逆矩阵即无柔度矩阵。
此时系统的平衡位置有无限多或者说它有刚体运动。
如图示系统具有刚体运动，柔度矩阵不存在。
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
现分析求出图所示的三自由度系统的柔度影响系数。
F1
首先施加单位力 F1 1 ，F2 F3 0 这时三物块所产生的静位移分别是 11、 21、 31
1 当受到F1作用后，第一个弹簧的变形为 k ，第二和第三个 1
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
例 试求图示悬臂梁的柔度影响系数， 并建立其位移方程。(梁的弯曲刚度为 EI，其质量不计) 解：取y1 、 y2为广义坐标，根据柔度影响系数的定义， 11 表示 在m1处施加单位力(沿y1方向)并在m1处产生的位移。 按材料力学的挠度公式，则有
i j ji
柔度矩阵一般也是对称的。 实际上任何多自由度线性系统都具有这个性质。即

T
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
用柔度影响系数来建立其运动微分方程
应用叠加原理可得到
x1 ( F1 ) 11 ( F2 ) 12 ( F3 ) 13 x2 ( F1 ) 21 ( F2 ) 22 ( F3 ) 23 x3 ( F1 ) 31 ( F2 ) 32 ( F3 ) 33
m1处产生的位移等于在 m1处施加单 位力在m2处产生的位移。有
l l l3 5l 3 24 12 21 24EI 2 EI 48EI
3
2
柔度矩阵为
11 21
1 12 l 8 1 22 3 EI 16
刚度矩阵中的元素称刚度影响系数(在单自由度系统中，简称 弹性常数)。它表示系统单位变形所需的作用力。具体地说， 如果使第j个质量沿其坐标方向产生单位位移，沿其它质量的 坐标方向施加作用力而使它们保持不动，则沿第i个质量坐标 方向施加的力，定义为刚度影响系数kij；在第j个质量坐标方 向上施加的力称刚度影响系数kjj 。由刚度影响系数的物理意 义，可直接写出刚度矩阵，从而建立作用力方程，这种方法 称为影响系数法。
3.4 柔度影响系数 位移方程
图为 yC 0 , 1时的受力图， k 22 , k12 分别表示保持系统在该位 置平衡，应加在铅直平面内的力偶矩和加在C点的力。
2 k1l12 由平衡条件得 k 22 k 2 l2
, k12 k1l1 k 2 l2
刚度矩阵
(k2l2 k1l1 ) k1 k2 K 2 2 ( k l k l ) k l k l 2 2 11 11 2 2
11
22 表示在m
l ( )3 3 l 2 3EI 24 EI
2处施加单位力(沿y2方向)并在m2处产生的位移。有
22
Mechanical and Structural Vibration
l3 3EI
3.4 柔度影响系数 位移方程
12 21 表示在 m2 处施加单位力在
1 1 k1 k 2 1 1 k1 k 2
1 k1
1 1 k1 k 2 1 1 1 k1 k 2 k 3 1 k1
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
系统的柔度矩阵为
11 12 21 22 31 32 1 13 k1 1 23 k 1 33 1 k1 1 1 k1 k 2 1 1 k1 k 2 1 k1 1 1 k1 k 2 1 1 1 k1 k 2 k 3 1 k1
3.3 刚度影响系数 作用力方程
质量矩阵
m11 m 21 M mn 1
m12 m22 mn 2
m1n m2 n mn n
刚度矩阵
k11 k 21 K kn 1
k12 k 22 kn 2

弹簧的变形为零。
所以三物块的位移都是 11
Mechanical and Structural Vibration
1 1 1 , 21 , 31 k1 k1 k1
3.4 柔度影响系数 位移方程
F2
令
1 1 第一和第二弹簧均受单位拉力，其变形分别为 , k1 k 2
F2 1 ，F1 F3 0
方程中各项均为力的量纲，因此，称之为作用力方程。
若用矩阵表示，则可写成
Kx 0 M x
T T ，x x1 x2 xn
x x1
x2 xn
式中分别是系统的坐标矢量和加速度矢量
Mechanical and Structural Vibration
1 k1
, 23
1 1 k1 k 2
, 33
1 1 1 k1 k 2 k 3
系统的柔度矩阵为
11 12 21 22 31 32
1 13 k1 1 23 k 1 33 1 k1
第三个弹簧不受力，故其变形为零。因此有
12
1 1 1 1 1 , 22 , 32 k1 k1 k2 k1 k2
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
F3
再令 F1 F2 0, F3 1
可得到
13
3.4 柔度影响系数 位移方程
在单自由度的弹簧—质量系统中，若弹簧常数是k，则
1 k
就是物
块上作用单位力时弹簧的变形，称柔度影响系数，用 表示。 n自由度系统的柔度矩阵 Δ 为n阶方阵，其元素 ij 称为柔度影 响系数，表示单位力产生的位移。 具体地说，仅在第j个质量的坐标方向上受到单位力作用时相 应于在第i个质量的坐标方向上产生的位移，即定义为 ij 。
Mechanical and Structural Vibration
3.4 柔度影响系数 位移方程
例 试写出图所示刚体AB的
刚度矩阵并建立系统的运动 微分方程。
解：刚体 AB 在图面内的位置可以由其质心 C 的坐标 yC( 以水 平位置O为坐标原点，且水平运动不计)和绕C转角 确定。
Mechanical and Structural Vibration
系统运动时，质量的惯性力使弹簧产生变形
x1 ( m1 x1 ) 11 ( m2 x2 ) 12 ( m3 x3 ) 13 x2 ( m1 x1 ) 21 ( m2 x2 ) 22 ( m3 x3 ) 23 x3 ( m1 x1 ) 31 ( m2 x2 ) 32 ( m3 x3 ) 33
1 0 x 0 x2 m3 x 3
位移方程
x Mx
Kx Mx
x 0 Mx
) x K 1 ( Mx
与作用力方程比较
K是非奇异的，即 K 1 的逆矩阵存在
K 1
k1n k 2n kn n
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3.3 刚度影响系数 作用力方程