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桥梁结构振动与稳定分析.
东南大学(2014~2015)年第一学期
桥梁结构振动与稳定分析研究报告
成 绩: 姓 名: 高明天 学 号: 145511 专 业: 桥梁与隧道工程 授课教师: 万 水 日 期: 2015年1月
目录
2薄板的振动理论及应用
2.1薄板的自由振动
薄板自由振动的一般问题是这样提出的:在一定的横向荷载作用下处于平衡位置的薄板,受到干扰力的作用而偏离这一位置,当干扰力被除去以后,在该平衡位置附近作微幅振动。(1)试求薄板振动的频率,特别是最低频率。(2)设已知薄板的初始条件,即已知处挠度及初速度,试求薄板在任意瞬时的挠度。
设薄板在平衡位置的挠度为,这时,薄板所受的横向静荷载为。则薄板的弹性曲面微分方程为:
(a)
式(a)标示:薄板每单位面积上所受的弹性力和它所受的横向荷载q成平衡。
设薄板在振动过程中的任意瞬时t的挠度为,则薄板每单位面积上在该瞬时所受的弹性力,将与横向荷载q及惯性力成平衡,即
(b)
薄板的加速度是,因而每单位面积上的惯性力是
其中为薄板每单位面积内的质量(包括薄板本身的质量和随同薄板振东的质量),则式(b)可以改写为
(c)
将式(c)与式(a)相减,得到
由于不随时间改变,,所以上式可以改写成为
(d)
命薄板在任意瞬时的挠度为,而式(d)成为
或
(2-1)
这就是薄板自由振动的微分方程。
微分方程(2-1)有如下形式的解答:
(2-2)
在这里,薄板上每一点(x,y)的挠度,被标示成为无数多个简谐振动下的挠度相叠加,而每一个简谐振动的频率是。另一方面,薄板在每一瞬时t的挠度,则被标示成为无数多钟振形下的挠度相叠加,而每一种振形下的挠度是由振形函数标示的。
为了求出各种振形下的振形函数,以及与之相应的频率,我们取
代入式(2-1),然后消去因子,得出所谓振形微分方程
(2-3)
如果由这一微分方程求得W的满足边界条件的非零解,即可由关系式
(e)
求得相应的频率。自由振动的频率,称为自然频率或固有频率,它们完全决定于薄板的固有特性,而与外来因素无关。
实际上,只有当薄板的为常量时,才有可能求得函数形式的解答。这时,命
(2-4)
则方程(2-3)简化为常系数微分方程
(2-5)
现在就可能比较简便地求得W的满足边界条件的、函数形式的非零解,从而求得相应的值,然后再用(2-4)式求出相应的频率。将求出的那些振形函数及相应的频率取为及,代入表达式(2-2),就有可能利用初始条件求得该表达式中的系数及。
设初始条件为
则由(2-2)式得
于是可见,为了求得及,必将已知的初挠度及初速度展为的级数,这在数学处理上是比较困难的。因此,只有在特殊情况下,才有可能求得薄板自由振动的完整解答,即任一瞬时的挠度。在绝大多数的情况下,只能求得各种振形的振形函数及相应的频率。
2.2四边简支的矩形薄板的自由振动
取振形函数为
(2a)
其中m及n为整数,可以满足边界条件,代入(2-5)式,得 图2-1
为了这一条件在薄板中面上的所有各点都能满足,也就是在x和y取任意值时都满足,必须有
(2b)
将式(b)代入(2-4)式,得出自然频率的公式
(2c)
命m及n取不同的整数值,可以求得相应于不同振形的自然频率
(2-6)
当薄板以这一频率振动时,振形函数为
而薄板的挠度为
(2d)
则薄板在自由振动中任一瞬时的总挠度为
(2e)
初挠度及初速度标示成振形函数的级数为:
(2f)
按照级数展开的公式,有
(2-7)
根据初始条件
由式(2e)及式(2f)得
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