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
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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:
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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:
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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。
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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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