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聯(lián)系人:張先生 13623905539
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振動(dòng)研究中的首要環(huán)節(jié)是力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立。
振動(dòng)分析中一般都要通過測試與理論分析來建立力學(xué)模型。經(jīng)過不斷地修正,使一些工程中的振動(dòng)問題獲得更精確的力學(xué)模型(理論的、數(shù)值的或?qū)嶒?yàn)的力學(xué)模型)。對于一臺(tái)機(jī)器或一種工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析,首要的步驟是如何建模。由于它們本身組成的復(fù)雜性,外界載荷的復(fù)雜性、多樣性(相對靜載荷而言)及不可預(yù)見性(風(fēng)載荷、地震載荷),為此建立振動(dòng)問題力學(xué)模型時(shí),必須根據(jù)需要解決的問題來考慮研究對象以及外界對它的作用,以便簡化為一個(gè)計(jì)算所用的力學(xué)模型。例如,對高層建筑作地震反應(yīng)分析時(shí),根據(jù)所研究的對象特點(diǎn)不同所建立的計(jì)算力學(xué)模型也不同。
剛性樓蓋高層建筑對采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的體型規(guī)則的高層建筑,由于樓蓋的水平剛度很大,在確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性(頻率、主振型)時(shí),可采用串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)。
非剛性樓蓋高層建筑對采用鋼筋混凝土預(yù)制樓板的高層建筑以及體型復(fù)雜的高層建筑,需要考慮地震作用下各層樓蓋所產(chǎn)生的水平變形,因此在確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性時(shí),宜采用串并聯(lián)質(zhì)點(diǎn)。
偏心結(jié)構(gòu)高層建筑結(jié)構(gòu)存在偏心時(shí),即使在地震單向平動(dòng)分量作用下,也會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此時(shí)若采用串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系作為其力學(xué)模型,就不可能體現(xiàn)出這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效果,而需采用串聯(lián)鋼片作為偏心結(jié)構(gòu)高層建筑的振動(dòng)分析力學(xué)模型。該模型中每層鋼片具有兩個(gè)正交的水平位移和一個(gè)轉(zhuǎn)角,共三個(gè)自由度,。眾所周知,不管機(jī)器或結(jié)構(gòu)物會(huì)產(chǎn)生怎樣的振動(dòng)形式,其主要的原因在于其本身的質(zhì)量(慣性)和彈性。阻尼則使振動(dòng)抑制。從能量觀點(diǎn)出發(fā),質(zhì)量可儲(chǔ)存動(dòng)能,彈性可儲(chǔ)存勢能,而阻尼則消耗能量。當(dāng)外界對系統(tǒng)做功時(shí),系統(tǒng)質(zhì)量吸收動(dòng)能而獲得運(yùn)動(dòng)速度,彈性儲(chǔ)存變形而具有使系統(tǒng)恢復(fù)到原來狀態(tài)的能力。由于能量不斷地變換就使系統(tǒng)在平衡位置附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果沒有外界始終不間斷地給系統(tǒng)質(zhì)量輸入能量,那么,由于阻尼存在而消耗其能量,將使振動(dòng)趨于停息。由此可見,質(zhì)量、彈性和阻尼是振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型的三要素。
所有實(shí)際機(jī)器和結(jié)構(gòu)物元件的質(zhì)量和彈性皆是連續(xù)分布的。若將實(shí)際上是連續(xù)分布的參數(shù)(如高層建筑、橋梁、齒輪和齒輪軸等)簡化成具有若干集中質(zhì)量并由相應(yīng)的彈簧或彈性桿和阻尼器聯(lián)結(jié)在一起的系統(tǒng),此時(shí)振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型就有連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)兩種不同的計(jì)算力學(xué)模型。
可見,在振動(dòng)分析中,力學(xué)模型的建立需注意以下幾點(diǎn):
(1)根據(jù)研究目的,即需要解決什么問題。對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,找到其特點(diǎn)。
(2)分清外界對研究對象的作用,判別是確定載荷,還是不確定載荷。在線性振動(dòng)中,將不討論不規(guī)則載荷,這種載荷的作用將在隨機(jī)振動(dòng)書籍中專門解決。
(3)考察研究對象是以空間、還是平面問題來進(jìn)行研究;是以離散、還是連續(xù)系統(tǒng)來進(jìn)行解決;是以一個(gè)自由度、還是多個(gè)自由度系統(tǒng)來進(jìn)行處理。當(dāng)力學(xué)模型建立之后,需建立系統(tǒng)參數(shù)(質(zhì)量、彈性、阻尼)、激勵(lì)及響應(yīng)三者之間的關(guān)系式,即數(shù)學(xué)表達(dá)式——運(yùn)動(dòng)微分方程式。
根據(jù)理論力學(xué)中的牛頓第二定律、動(dòng)力學(xué)普遍定理、動(dòng)靜法或拉格朗日方程建立離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。另外,再考慮材料力學(xué)中的單元、變形等概念,對連續(xù)系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)微分方程。
對離散系統(tǒng)所建立的振動(dòng)微分方程一般為二階常微分方程。當(dāng)系統(tǒng)為多自由度系統(tǒng)時(shí),則為二階聯(lián)立微分方程組。對連續(xù)系統(tǒng)所建的振動(dòng)微分方程一般為偏微分方程。由于微分方程是系統(tǒng)振動(dòng)行為的數(shù)學(xué)描述,為此根據(jù)微分方程人們便可清楚地了解其運(yùn)動(dòng)類型。這樣,若運(yùn)動(dòng)微分方程是常微分方程,那么系統(tǒng)一定是集中質(zhì)量系統(tǒng),即離散系統(tǒng)。若運(yùn)動(dòng)微分方程是偏微分方程,那么系統(tǒng)一定是連續(xù)分布參數(shù)系統(tǒng),即連續(xù)系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)微分方程是其次時(shí),系統(tǒng)一定作自由振動(dòng),即在初始激勵(lì)后以系統(tǒng)的恢復(fù)力進(jìn)行振動(dòng)。若運(yùn)動(dòng)微分方程非其次的,則系統(tǒng)做受迫振動(dòng),即在系統(tǒng)上作用外激勵(lì),系統(tǒng)受干涉力進(jìn)行振動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)微分方程是線性的,那么系統(tǒng)為線性的;若運(yùn)動(dòng)微分方程是非線性的,則系統(tǒng)為非線性的。
從振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程的自由函數(shù)的形式也可以判定系統(tǒng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的形式。若為簡 函數(shù),則系統(tǒng)的響應(yīng)(穩(wěn)態(tài))也是簡函數(shù);若為任意周期函數(shù),則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也一定是任意周期函數(shù);若為脈沖函數(shù),那么,系統(tǒng)一定是瞬態(tài)振動(dòng);若為隨機(jī)函數(shù),則系統(tǒng)一定是隨機(jī)振動(dòng)。
求解微分方程是一件較為復(fù)雜的工作。對線性微分方程而言,一般對一、二個(gè)自由度系統(tǒng),可用經(jīng)典方法求得封閉解,對高階線性微分方程需借用線性代數(shù)的方法,將聯(lián)立微分方程化為聯(lián)立代數(shù)方程,編寫計(jì)算程序在計(jì)算機(jī)上求解,以得出其近似解。對于偏微分方程將應(yīng)用數(shù)理方程的方法,將偏微分方程化為常微分方程,并配合邊界條件進(jìn)行求解。資料來源于振動(dòng)力學(xué)作者高 淑 英,沈 火 明
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