第四章 线性随机振动.ppt
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第四章 线性随机振动;1、单自由度体系随机响应分析;其解为:;响应的自相关函数;(2)频域法
频域法主要是基于叠加原理的频率响应函数法。
频率响应函数的确定
频率响应函数即单自由度体系在单位简谐荷载 作用下反应的幅值。 ;令 则可得频率响应函数为;响应的均方值; 响应的自相关函数为:; 响应的自功率谱密度函数为:;平稳位移响应的自相关函数与自功率谱密度函数如图示。;平稳速度响应的自相关函数与自功率谱密度函数为:;可以看出:质量m不影响平稳位移响应的方差;
刚度k不影响平稳速度响应的方差。
在白噪声(宽带过程)激励下单自由度体系(小阻尼系统)的响应是窄带过程。;;假设:激励的均值等于零;
激励的谱密度在 附近变化缓慢。
位移响应的方差为:;2、多自由度体系随机响应分析
分析方法:
基于脉冲响应函数矩阵或频率响应函数矩阵的方法;
振型叠加方法;
状态方程法(状态向量法,状态空间法)。;基于脉冲响应函数矩阵和频率响应函数矩阵方法
关键是求振动系统的脉冲响应函数矩阵和频率响应函数矩阵。
脉冲响应函数矩阵 中元素的物理意义:; 多自由度体系的随机响应分析
在零初始条件下,多自由度体系的响应可以表示为;响应的自相关函数矩阵; (2) 用振型叠加法求多自由度系统的随机响应
——之一
适用条件:正交阻尼或阻尼很小可忽略耦合项影响。
基本思想:将系统响应的统计量表示成各模态响应 统计量的加权和。——实模态叠加法
基本原理:
多自由度系统的随机微分方程为;设:
——模态响应(振型反应);
——模态矩阵(振型矩阵)。
则式(A)可转化为;已知条件:
假设系统激励 是平稳随机过程向量,其相关函数矩阵为 ,谱密度矩阵为 。
系统特性。; 由系统激励 求模态激励向量的相关矩阵和谱密度矩阵; 模态响应的相关矩阵和谱密度矩阵; 系统响应的相关???阵和谱密度矩阵; 系统响应的均值向量;以求和号表示的模态叠加法
第j模态方程:
式中:
系统响应(第i质点)可表示为:
;式中:;式中:;[讨论]:
层间位移反应的统计特征
第i层的层间位移为
在以上公式中,以 代替 ,即可得层间位移的相关函数、谱密度和方差。;计算均方反应的近似方法;(3)用振型叠加法求多自由度系统的随机响应
——之二
振型叠加法确实是求解多自由度系统随机响应的有效方法,但其适用条件是阻尼必须满足正交性。
但实际上大部分结构(如土-结构相互作用、组合结构等)不满足阻尼正交性,自然不能应用振型叠加法。为能应用振型叠加法的思想,发展了“复模态叠加法”。
基本思想: 将运动方程→解耦。;基本原理:
引入状态向量;式中:;式(C)为广义特征值问题,有2N个复特征值( ),称为系统的复频率。
——广义阻尼比;
——复模态频率。
将特征值 代入式(C)可求得对应的复特征向量;(4)状态向量法;引入状态向量
则体系的状态方程为
;体系的初始条件:;基本解矩阵 ,也称状态转移矩阵。
;② 状态反应的协方差矩阵;两边后乘 并取期望得:;代入(E)可得:;综上:只要知道基本解矩阵 和激励的相关矩阵,
即可求解一阶微分方程得到状态反应的协方差矩阵。;状态干扰 的谱密度矩阵为; 对于非平稳白噪声干扰;的协方差矩阵为:; 对于平稳白噪声干扰;平稳过滤白噪声干扰;引入状态向量;平稳响应的
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