结构动力学课件第一章绪论.ppt

石家庄铁道大学 第一章 绪 论 Prof. Lanhe Wu Shijiazhuang Tiedao Univ. Dynamics of Structures 教学内容： 第一章:绪论 第二章:单自由度结构的振动 第三章:多自由度系统的振动 第四章:无限自由度结构的振动 第五章:结构自振频率和振型的近似解法 第六章:结构动力有限元法 第一章: 绪论 §1.1 结构振动的特点及动力学研究内容 一、振动现象 在自然界、工程技术和日常生活中普遍存在着物体往复运动或状态的循环变化，这类现象叫做振荡（oscillation） 振动 振荡 平衡位置附近微小或有限的振荡叫作振动（vibration），它是一种特殊的振荡。工程技术所涉及的机械和结构的振动称为机械振动(Mechanical vibration ) 振动是自然界最普遍的现象。如 （1）心脏的跳动、耳膜和声带的振动； （2）桥梁和建筑物在风和地震荷载作用下的振动； （3）飞机和轮船在航行中的振动； （4）机床的刀具在加工时的振动； （5）花的日开夜闭，大海的潮起潮落，钟摆的摆动； （6）股市的涨跌，经济发展的高涨和萧条； （7）通信领域的电磁振荡。 振动通常被认为是有害的,它常造成机械和结构的破坏与失效。例如: 1940年美国的Tacoma Narrows吊桥因风振发生坍塌 1972年日本的海南电厂的一台66万千瓦的气轮机在试车时因发生非正常振动而主轴断裂 振动影响精密仪器的功能，降低加工精度，加剧构件疲劳和磨损 列车、飞机的振动会劣化拱乘环境，也会造成事故 振动噪声造成公害 振动也有其积极与可利用的一面。例如：振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础；工程中也常用振动筛、振动沉桩、振动输送、振动抛光等，还可利用振动原理来测振和隔振等。 二、振动的特点 1. 承担的是动力荷载；（Dynamic load） 2. 结构会产生不容忽视的加速度，建立平衡方程时必须考虑惯性力（Inertia force）的影响； 3. 结构上的各种量值将不仅是空间坐标的函数，还是时间的函数。 三、动力荷载的特点与分类 动力荷载的特点： 动力荷载是指作用时间很短、变化很剧烈 对结构产生冲击、能使结构产生显著加速。 ２.动力荷载的分类： 动荷载 确定 不确定 风荷载 地震荷载 其他无法确定变化规律的荷载 周期 非周期 简谐荷载 非简谐荷载 冲击荷载 突加荷载 其他确定规律的动荷载 系统(System) 激励(Excitation) 输入(Input) 输出(Output) 响应(Response) 四、描述振动问题的提法 机械部件、工程结构等研究对象称为系统，主要由惯性元件、弹性元件和阻尼元件构成。惯性元件和弹性元件用于存储系统的动能和势能，阻尼元件则用于消耗系统的能量。 振动分析（正问题） 五、振动问题的分类 系统识别（逆问题） 环境预测 （逆问题） 分析结构振动的固有特性 分析结构在动力荷载作用下的内力、位移、速度和加速度等，校核结构的强度和刚度 研究结构的动力稳定性 六、结构动力学的基本任务 §1.2 结构振动的自由度 一、振动自由度定义 自由度（Degree of freedom)：结构在振动过程中，确定其全部质量的位置所需要的几何参数的数目。 单自由度结构、多自由度结构、无限自由度结构 二、振动自由度的简化方法 实际结构都是无限自由度体系，这不仅导致分析困难，而且从工程角度也没必要。常用简化方法有： 1) 集中质量法(Lumped mass) 将实际结构的质量看成集中在某些几何点上，除这些点之外物体是无质量的。 2) 广义坐标法(Generalized Coordinates) ---广义坐标 ---基函数 广义坐标个数即 为自由度个数 3) 有限元法(Finite element method) 和静力问题一样，可通过将实际结构离散化为有限个单元的集合，将无限自由度问题化为有限自由度来解决。 结点位移个数即 为自由度个数 三、振动自由度的确定 一般用集中质量法比较简单，因此集中质量法常被采用。用这种方法时，通常采用如下的做法： 1.引入小变形假设(Small deformation) 2.添加链杆，直到全部质量的位置完全固定，添加链杆的数目即等于其振动自由度。 W=1 W=2 W=2 W=1 W=1 W=13 W=3 W=2 弹性地基上的刚体 Ｗ＝4 m1 m2 m3 W=2 W=3 W=3 θ(t) v(t) u(t) 四、几点说明 1.振动自由度与集中质量的个数无直接关系。 2.振动自由度与结构是静定还是超静定以及超静定次数均无直接关系。 3.动力自由度数目与所采用的假设有直接关系。 一、按激励类型来分 自由振动：系统受初始激励后不再受外界