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结构动理论力学教案.doc

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结 构 动 力 学 教 案 刘林超 信阳师范学院土木工程学院 信阳师范学院教案用纸 §1-5 多 自 由 度 体 系 的 自 由 振 动 教学要求:掌握两个自由度体系自由振动、在简谐荷载作用下的强迫振动。 重点难点: 教学方法:以一种方法为主(刚度法) 先讨论最简单的情况,两自由度的情况,然后推广到n个自由度的情况 一、两个自由度体系自由振动微分方程的建立 刚度法 基本思路是:取质量m1和m2为隔离体,根据达浪伯原理 建立动力平衡方程。 K1、K2是质量m1、m2与结构之间的相互作用力。 如图,可得 教法提示 信阳师范学院教案用纸 k11、k22、k12、k21是结构的刚度系数,物理意义如上图。 由平衡方程,可得 2.柔度法 如图所示,为两个集中质量和的两个自由度体系。 基本思路是:在自由振动的任一时刻t,质量m1、m2的位 移、应等于在该时刻惯性力、共同 作用下所产生的静力位移。 教法提示 信阳师范学院教案用纸 根据叠加原理,列出方程如下: 注意δ的物理意义。 2.频率方程和自振频率 (1)用刚度系数表示的频率方程和自振频率 振动方程: 在刚度法方程中,设其解答为以下形式: 该式表示的运动有以下特点 在振动过程中,两个质点具有相同的频率和相同的相位角,为位移的幅值; 在振动过程中,两个质点的位移在数值上随时间而变化,但二者的比值始终保持不变,即 这种结构位移形状始终保持不变的振动形式称为主振型或振型。 位移代入刚度法方程,消去sin(ωt+α),得 有非零解,则上齐次方程组的系数行列式等于零,即得以 刚度系数表示的频率方程: 展开,可求出用刚度系数表示的频率的解答为: 教法提示 信阳师范学院教案用纸 也可写成 由于且, 故分子根式中的值一定大于零。此外还有,,还 有,这样不难判断出,ω2的两个值一定为正值。 由此可得到圆频率的两个根:ω1和ω2。较小的ω1为第一圆频 率或基本频率,ω2为第二圆频率。 因此,两个自由度体系,有两个自振频率。较小的圆频率,用ω1表示,称为第一圆频率或基本频率。另一个圆频率ω2,则称为第二圆频率。 频率的数目总是与自由度的数目相等。 (2)用柔度系数表示频率方程和自振频率 振动方程 设方程的解为 (a) 式中 Y1、Y2——质量m1、m2的位移振幅; ω——体系的自振圆频率; α——相位角(初相角)。 则,惯性力为 两个质量的惯性力幅值为 教法提示 信阳师范学院教案用纸 带入方程,消去sin(ωt+α),得 上式说明位移幅值是惯性力幅值作用下产生的静力位移。 上式各项再除以(-ω2),得方程组 为了得到不全为零的解答,要求系数行列式为零,即 上式称为频率方程,用它可求出频率ω。令,将上式展开 整理后得 教法提示 信阳师范学院教案用纸 解得 这两个根都是实根,于是,可求得圆频率的两个值为 例题13:图示简支梁,质量集中在m1和m2上,m1= m2=m, EI=常数,求自振频率。 解:(1)计算结构的柔度系数 作、图,由图乘法得 (2)将柔度系数带入公式 可得自振频率如下: 教法提示 信阳师范学院教案用纸 例题14:图示为一两层刚架,柱高h,各柱EI=常数,设横梁EI=∞,质量集中在横梁上,且m1= m2=m,求刚架水平振动时动自振频率。 解:用刚度法求解 (1)计算结构的刚度系数 利用平衡条件求得: (2)求自振圆频率 将刚度系数带入公式 教法提示 信阳师范学院教案用纸 令,则,, 所以,有 例15:图示两层刚架,其横梁为无限刚性。设质量集中在楼层上,第一、二层的质量分别为m1、m2。层间位移刚度分别为k1、k2,即层间产生单位相对位移所施加的力。试求刚架的自振频率和主振型。 教法提示 信阳师范学院教案用纸 解:结构的刚度系数为 ,,, 代入 得 分两种情况讨论: 1),时 由此得 两个频率为 , 由频率方程 可以求出振幅的比,两个振型 第一个主振型 第二个主振型 教法提示 信阳师范学院教案用纸 2)当,时 由此得 由频率方程 可以求出振幅的比,两个振型 主振型 如n=90,, 分析:当上部质量和刚度很小时,顶部位移很大。建筑结构中,这种因顶部质量和刚度突然变小,在振动中引起巨大反应的现象,有时称为鞭稍效应。 二、n个自由度的情况 这里考虑无阻尼的情况 (1)刚度法 取各质点为隔离体,
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