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有限元第9讲动力学问题有限单元法动力学问题是指研究物体在运动中的受力和受力作用下的运动状态，常见的应用是结构工程学中的振动分析。
有限单元法是解决结构工程学中动力学问题的常用方法之一。
本文将介绍动力学问题和有限单元法的基本概念，并介绍其应用。
动力学问题的定义动力学是研究质点或刚体运动情况的分支学科，在结构工程学中是指结构在做振动时所受的力和运动状态。
动力学问题可以分为两种类型：稳态动力学问题和非稳态动力学问题。
稳态动力学问题是指结构在振动状态下所受的恒定力，而非稳态动力学问题则是指结构所受的变化的力，例如冲击力或地震力。
动力学问题的求解包括两个方面：一是确定受力情况；二是求解结构的运动状态。
确定受力情况通常需要通过实验或计算确定，求解结构运动状态则可以通过有限单元法来解决。
在结构工程学中，动力学问题的应用非常广泛。
例如，建筑物抗震设计需要对建筑物在地震作用下的反应进行分析，桥梁工程需要对桥梁在行车作用或风力作用下的振动响应进行分析。
有限单元法的基本概念有限单元法是一种将结构离散成若干小单元的数值分析方法，将结构分割成细小的单元，每个单元内部假设为均匀且连续的，通过对单元本身的运动状态进行求解，进而推知整个结构的运动状态。
有限元法用于解决的问题包括静力学问题、动力学问题、热力学问题和流体问题等。
有限单元法求解动力学问题的步骤主要包括如下几个步骤：1.离散化：将连续结构离散化成有限的小单元，每个单元内部运动状态通过定义一定数量的节点来确定。
2.建立单元的动力学方程：根据单元的形状和材料性质，建立单元的动力学方程，并计算单元的振动特性，例如频率和模态。
3.组装单元的方程：将单个单元的方程组装成整个结构的方程。
4.边界条件的处理：利用结构的边界条件（例如支撑、铰支等），将结构自由度减少到实际问题所需要的自由度。
5.求解结构的运动状态：通过求解整个结构的方程，得到结构的运动状态。
6.后处理：根据求解结果，进行结果的可视化和分析。
第十二章结构动力响应分析第一节常见的动态载荷类型第二节强迫动力瞬态响应分析第三节谱分析第四节频率响应分析返回第一节常见的动态载荷类型图12-1突加的动态载荷p t0当物体或结构在动态力（或载荷）的作用下时，它的响应就是动态响应，严格地说结构都是在动态力的作用下，只不过有的力随时间变化的很慢，所以为了简化计算，工程中有许多问题简化为静态问题来计算。
但随着科技的发展，计算机及计算手段的发展，目前许多设计中都必须考虑动态问题。
正确地识别动态载荷是正确计算动态问题关键之一，目前工程中常见的动态载荷有：1）突加的动态载荷（见图12-1）返回图12-2 简谐激振力p t 0图12-3 起重机类型pt 0图12-4 脉冲或冲击p t0t 0p 2）简谐激振力（电机等）（见图12-2）3）起重机类型（见图12-3）4）脉冲或冲击（见图12-4）返回5）随机型的激力（路面谱力，地震谱力）（见图12-5）图12-5 随机型的激力pt图12-6冲击波6）冲击波（原子弹爆炸或热冲击等）（见图12-6）返回9）各种表格表示的动载荷（即有一个时间t 就有一个力F （t ）值所描述的不规则曲线）N 3。
图12-7 移动载荷tt 0t 1t 2…………v8）转动轴等在交变应力下的动态载荷7）移动载荷（见图12-7）返回第二节强迫动力瞬态响应分析[][]{}(){}t R K C M =+⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧∙∙∙δδδ][[][]{}⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=+⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧∙∙∙∙∙y r r r r M K C M δδδδ][][当结构受随时间变化的强迫力或基础的加速度的作用时，求解结构的瞬态位移或瞬态应力响应,叫强迫动力响应或响应历程分析。
强迫力可以是作用于结构上任一节点的任一个自由度上的力（或力矩），或者是基础在三个方向上的加速度运动（或转动）。
而输入的强迫函数可用表格表示的冲击、脉冲或其它任意不规则的力和运动，也可用正弦函数表示。
第七章 动力学问题的有限元法结构动力学是研究动载荷作用下结构动力反应规律的学科，讨论结构在动力荷载作用下反应的分析方法，寻找结构固有动力特性、动力荷载和结构反应三者间的相互关系。
研究结构在动力荷载作用下的反应规律，能够为结构的动力可靠性（安全、舒适）设计提供依据。
前面介绍的静力学问题的研究对象是受不随时间变化的载荷作用。
而动力学问题的对象受随时间而变的载荷的作用，从而使在结构中产生的位移、速度、应力和应变都随时间而变。
当结构受随时间变化的载荷作用，且这种载荷的作用对结构的变形和应力的产生起主要作用，以致影响设备的安全性，或舒适性。
这时就要进行动力学分析，充分认识其规律性，从设计阶段就抑制这种不利状况的发生。
例如，有时虽然动载荷不大，但结构在交变力的作用下，其某些固有频率与激励力的作用频率相接近时，就会引起很大的振动、变形或应力，这时，就必须对结构作动力学分析。
又如，要利用结构在周期性作用力驱动下的定向振动，例如利用这种运动输送产品，这时，就必须巧妙地设计结构，使其具有某些与激励频率一致的固有频率，并且使结构对激励具有适当的响应能力。
总之，不管是利用振动，还是抑制振动，都需要进行结构动力学分析。
当前结构动力学的研究内容有三类。
第一类问题：反应分析（结构动力计算），第二类问题：参数（或称系统）识别，第三类问题：荷载识别。
第一类问题是已知系统动态特性和动载荷作用部位及大小，求出系统的响应——随时间变化的位移，速度，加速度和应力等。
第二类问题是已知系统的输入输出特性，分析系统固有的动态特性，结构模态分析就属于这一类问题。
第三类问题是在已知系统动态特性的条件下, 通过测量系统的响应,或由响应准则预先给出响应要求, 以此识别对响应的外载荷。
三类结构动力学研究内容的载荷、结构和响应之间的关系如图7-1所示。
动载荷种类大致分类如图7-2所示。
图7-1 结构动力学研究的内容图7-2 动载荷种类本章主要介绍结构动力学分析的基础知识，并主要介绍系统固有特性的有限元分析方法——有限元模态分析。
结构系统动力分析可以采用总体结构有限元法，但该方法对于复杂大型结构进行分析存在计算规模大，计算时间长，所用的磁盘空间、计算机系统太庞大，如飞机、车辆、船舶、高层建筑等整体结构。
特别是用有限元法进行较高频率振动分析时，要求结构被划分成非常多的单元数以便获得详细的位移和应力特性。
这时结构模型的节点自由度可能达到几十万甚至上百万，直接求解如此庞大的模型是很困难。
即使能够分析，也要耗费大量机时，效率极低。
模态综合法（Component Mode Synthesis ）就是在这样的背景下发展起来的一种缩减自由度方法。
它可以将大模型化小，先进行各个子结构的模态分析，然后进行模态综合。
由于仅采用了各个子结构的低阶模态，因而使所建立整体结构动力模型的自由度数大大降低，而且可以在不同的机器上对各子结构进行模态分析提高计算速度。
模态综合法的基本思想是根据复杂结构的特点将整体结构划分成若干子结构，对各个子结构分别进行模态分析，得到其动力特性。
再利用子结构间力平衡条件及位移协调条件将各子结构部分低阶模态特性综合，由此得到整体结构的动力特性。
一.模态综合法基本原理先将整个结构划分为s 个子结构，每个子结构应该是容易分析的，子结构之间的连接尽可能要“弱”些，使子结构之间耦合较小，每个子结构在力学上有较大的独立性。
1.建立各个子结构的模态矩阵),2,1(][s r r =φ，其中][][B r F r r φφφ=；Fr φ是交界面完全固定时所算出的一部分（参加综合的）固有模态，即主模态矩阵；Br φ是依次释放每一边界自由度，使其得到单位位移而产生的静位移分布所组成的约束模态矩阵。
它可以由对子结构直接求解一系列静平衡方程（边界自由度发生单位强迫位移）而得到：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡*⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡F u u k k k k j i jj ij ji ii 0下标i 与j 分别代表该子结构的内部及界面自由度。
结构作自由振动时，内部自由度上作用力为零，而界面自由度依次产生单位位移，则相当于j u 是一个单位矩阵。
