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对于动力学问题,还要考虑系统的惯性和阻尼。 在有限大外力作
用的瞬间,系统只产生加速度而来不及产生位移和速度。因此,可
定义系统的质量系数 m ij,i,j1, ,N, m ij 是使系统产生加速度 uj 1 而 u i 0,ij需在第 i 个自由度上施加的力。类似地,定义阻尼
系数为 cij,i,j1, ,N,c ij 是为克服系统阻尼,使系统产生速度 u j 1 而 ui 0,ij需在第 i 个自由度上施加的力。
建立方程的重要条件是 系统的状态作用不相耦
合与系统的线性特性
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例3.1.1 建立图示N自由度链式系统的运动微分方程
u1
u2
uN 1
uN
f1
f2
k1
k2
k3
m1
m2
fN 1
fN
kN 1
kN
mN 1
mN
解:先计算刚度矩阵
f1
m1
k1 •1
k2 •1
f2
m2 k2 •1
f1k11k1k2 f2k21k2 13
fi
ki • 0
m2
ki1 • 0
刚度矩阵为
fiki10 2iN
k1 k2
k2
0
K
0 0
k2 k2 k3
k3
0
0
0 k3 k3 k4
0 0
0
0
0
kN1 kN kN
0
0
0
kN kN
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质量矩阵可用类似的过程得到
f1m 11 m 11m 1 fim i10 2iN m iim i, m ij0 , ij
刚度法(单位位移法)
考虑系统的弹性静力学性质。在系统各自由度上作用静力,使
系统由静平衡位置产生静位移 u j 1 而 ui 0,ij 。记这组特殊 的静力为 kij,i1, ,N,其中 k ij 是在第 i个自由度上施加的静力。 命 j1, ,N,则共有N 组这样的静力 k i,ji 1 , ,N ,j 1 , ,N,
当系统受动载荷 fi(t),i1, ,N作用时,根据上述质量系数、
阻尼系数、刚度系数的定义和达朗贝尔原理,可写出各自由度上的
力平衡关系
N
N
N
m iju j(t) c iju j(t) k iju j(t)fi(t),
j 1
j 1
j 1
i 1 , ,N
&& & M u(t) C u (t)K (t)u f(t) 11
如设 N = 3,则有
F Ku
注意
f1 f2
k11 k 21
k12 k 22
k13 u1 kij k ji
k
23
u
2
(材料力学)
f
3
k31
k 32
k
33
u3
如设 u{1 0 0}T, 则有
f1
f2
k11 k21
k12 k22
kk123310kk1211
f3 k31 k32 k330 k31
我们称其为系统的刚度(影响)系数。
由于系统是线性的,当第 j 个自由度有静位移 u j 、而其余自由 度无位移时,系统诸自由度上应施加一组静力 fi kijuj,i1, ,N。 一般地,若系统各自由度分别有静位移 uj, j1, ,N,根据线性系 统的可叠加性质知,在系统上施加的静力应为 :
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N
fi kijuj, i1,,N j1
m1
0
m02&&uu12&&c1c2c2
c2c2c3uu&&12 k1kk2 2
k2 u1 k2 k3u2
f1 f2
u1(0) u2(0)
uu1200,
uu&&12((00)) uu&&1200
M&u&(t)Cu&(t)K(ut)f(t)
&&
u(0)u0, u(0)u0
矩阵描述:质量矩阵,阻尼矩阵,刚度矩阵;
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2.2 建立系统微分方程的方 法(建模)
单自由度系统是和容易通过牛顿定律和 达朗贝尔原理建立动力学方程的。但对 于自由度数较多的情况,建立正确的微 分方程本身就是一件困难的事。需要找 到一种规范化、程式化的建模方法。
结构力学——刚度法、柔度法
分析力学——拉格朗日法
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刚度法和柔度法
同一种方法的两个视角(影响系数)
第2章 多自由度系统的振动
1
多自由度系统定义
自由度数超过 1 但仍有限的力学系统。 二自由度系统是多自由度系统的最简单
情况。
实际中的系统常常很难用单自由度运动来概括,多自由度 的情况很多。如飞机在空中的刚体振动就有六个自由度, 无法简化。舰船在海中受到波浪激励的响应要包括横摇、 纵摇、偏摇、垂荡、纵荡、横荡等多个分量。因此进行多 自由度的系统振动分析十分重要。
m1 0 0 0 0
0
m2
0
0
0
Diag 0MBiblioteka 1iN(mi)
0 m3
0
0
0 0
0 0
0 0
mN1 0
0
mN
Diag
Diagonal
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柔度法(单位力法)
如果系统受外部约束而无刚体运动,系统的柔度系数 定义为:在第 j 个自由度上施加单位静力时,第 i 个 自由度所产生的静位移。
m2 c3
u1
u2
变量耦合的 运动方程组
k1u1
k2(u1-u2) k2(u2-u1)
k3u2
f1(t)
f2(t)
m1
m2
c1u1
c2(u1-u2) c2(u2-u1)
c3u2
m 1& & u 1& & k1 u1k2(u1u2)c1 u & 1 &c2(& u & 1u & 2)& f1(t) m 2u 2 k2(u2u1)k3u2c2(u2u1)c3u2f2(t) 5
的运动就要用两个独立坐标 u 和 来描述,这就是一
个二自由度系统。若考虑车体左右不等幅颠簸,就变为
三自由度系统。
3
无限自由度简化为多自由度
有
限
元
K
EI K
简化为带有集中质量的弹性梁 4
2.1 多自由度系统的振动方程
考察图示的二 自由度系统:
u1
k1
k2
f1(t)
m1
c1
c2
u2
k3 f2(t)
2
多自由度系统,其运动需要多个独立坐标描述。
平面内刚 性杆的运 动描述需 两个自由 度
u
k1
k2
如图是一汽车的简化模型,车轮及悬架简化成刚度为 k1 和 k2 的两个弹簧,车体简化成为刚性杆。车体相对于随
体坐标系的振动有沿 u 方向的上下运动,也有沿 方
向的俯仰运动,一般这两种运动同时发生。这样,系统
位移向量,激励力向量。
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基本特征
a. 描述系统特性的 M、K 和 C 不再是三个常数,
而是三个常数矩阵; (现象) b. 系统中各自由度的运动是相互关联的,这反映
在方程中矩阵 M 、K 和 C 的非对角元素不为 零。这种系统运动的相互关联称作耦合。这样 的动力学方程组求解比较困难。(本质)
由简至繁:先研究无阻尼系统振动。 (固有振动——自由振动——受迫振动)