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单自由度系统振动第07讲
单自由度系统受迫振动
第7讲:任意激励下的响应
教学内容
线性系统的受迫振动
工程中的受迫振动问题
任意周期激励的响应
非周期激励的响应
单自由度系统受迫振动
任意周期激励的响应
前面讨论的强迫振动,都假设了系统受到激励为简谐激励,但实际工程问题中遇到的大多是周期激励而很少为简谐激励 。
假定粘性阻尼系统受到的周期激振力:
T 为周期
傅立叶级数展开:
记基频:
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
记:
n 的偶函数
n 的奇函数
运动微分方程 :
叠加原理,系统稳态响应 :
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
不计阻尼时:
周期激励通过傅氏变换被表示成了一系列频率为基频整数倍的简谐激励的叠加,这种对系统响应的分析被成为谐波分析法
复数形式表示
由欧拉公式 :
n的偶函数
n的奇函数
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
记:
则:
周期激励的复数形式:
其中:
系统运动方程 :
叠加原理,系统稳态响应:
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
求导 :
代入运动方程 :
得 :
因此有 :
系统响应 :
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
例:
质量-弹簧系统受到周期方波激励
求系统响应
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
解:
激励的周期:
激励力的基频 :
因 a0 一周期内总面积为0
=0
=0
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
因此
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
当 n 取奇数时
于是,周期性激励 F(t) 可写为:
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
则有:
其中:
当不计阻尼时:
系统运动方程 :
单自由度系统受迫振动 / 任意周期激励的响应
教学内容
线性系统的受迫振动
工程中的受迫振动问题
任意周期激励的响应
非周期激励的响应
单自由度系统受迫振动
脉冲激励的响应
对于脉冲激励情形,系统只有暂态响应而不存在稳态响应
单位脉冲力可利用狄拉克(Dirac)分布函数δ(t) 表示
δ函数也称为单位脉冲函数,定义为:
且
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
δ函数:
可以看作矩形脉冲、脉冲面积为 1
而脉冲宽度ε趋于零时的极限
即:
=
其中:
量纲:1/秒
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
δ 函数的性质:
特别地,当时刻 t = 0 时,有 :
当 I0 =1 时,为单位脉冲力
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
因而有:
现求处于零初始条件下的系统对单位脉冲力的响应
单位脉冲响应
记: 0+、0- 为单位脉冲力的前后时刻
运动微分方程与初始条件可合写为:
或脉冲响应
乘dt :
在脉冲力作用的瞬间,位移来不及变化,但速度可产生突变
令:
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
在单位脉冲力的作用下,系统的速度发生了突变,但在这一瞬间,位移则来不及有改变,即有:x(0+) = x(0-)
又当 t 0+ 时,脉冲力作用已经结束,所以 t 0+ 时,有:
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
系统的单位脉冲响应即初始位移为零,而初始速度为 1/m 的自由振动
记为 h(t)
无阻尼系统:
若单位脉冲力不是作用在时刻 t = 0,而是作用在 t =τ时刻:
解为:
如果系统在 t=τ时刻受到冲量为 I0 的任意脉冲力作用,则系统暂态响应可用脉冲响应函数表示为 :
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
任意非周期激励的响应
当处于零初始条件的系统受到任意激振力时,可以将激振力 F(t) 看作一系列脉冲力的叠加
对于时刻 t =τ的脉冲力
系统受脉冲作用后产生速度增量:
并引起 t τ各个时刻的响应
系统的脉冲响应 :
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
得:
杜哈梅(Duhamel)积分
利用卷积性质:
若有初始条件,则:
若阻尼为零,则:
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
例:无阻尼弹簧-质量系统
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
在(0,t0)时间间隔内受到突加的矩形脉冲力作用
求: 系统响应
解法一:
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
因此,系统响应:
单自由度系统受迫振动 / 非周期激励的响应
解法二:
当t t0 时激振力已经去除,此时系统将以时刻t =t0 时的位移和速度为初始条件做自由振动,称为残余振动
t t0 时的响应可以求解如下
先求得t =t0 时刻的位移和速度:
t t0 时的响应:
例:试确定一个自由度系统对图中施力函数的无阻尼响应
单自由度系
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