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[工学]多自由度系统振动第11讲_11月05日.ppt

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[工学]多自由度系统振动第11讲_11月05日

第11讲 多自由度系统振动 4、模态正交性,频率响应函数概念 教学内容 多自由度系统的动力学方程 多自由度系统的自由振动 频率方程的零根和重根情形 多自由度系统的受迫振动 有阻尼的多自由度系统 多自由度系统振动 多自由度系统的自由振动 固有频率 模态 模态的正交性 主质量和主刚度 模态叠加法 模态截断法 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 正定系统: 第 i 阶主振动 : 系统的固有振动: n个主振动的叠加 模态叠加法 由于各个主振动的固有频率不相同,多自由度系统的固有振动一般不是简谐振动,甚至不是周期振动 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 正定系统: 特征值问题: 特征矩阵 记为 B 根据逆矩阵定义 : 或 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 例:求固有频率和主振型 解: 动力学方程: 令主振动: 或直接用 得: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 特征方程: 一个独立 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 画图:以横坐标表示静平衡位置,纵坐标表示主振型中各元素的值 第一阶主振动,两个质量在静平衡位置的同侧,做着同向运动。而做第二阶主振动时,两质量在平衡位置的异侧,做着异向运动 有一点始终不振动,称为节点 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 无节点 一个节点 例:求固有频率和主振型 解: 动力学方程: 令主振动: 或直接用 得: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 令特征矩阵的行列式=0 可用特征矩阵的伴随矩阵求阵型 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 第二阶模态有 1 个节点,第三阶模态有 2 个节点,这由主振型内元素符号变号的次数可以判断出 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 模态图形: 第一阶模态: 第二阶模态: 第三阶模态: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 无节点 一个节点 两个节点 单自由度系统 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 两自由度系统 第一阶模态 第二阶模态 一个节点 无节点 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 第一阶模态 第二阶模态 第三阶模态 三自由度系统 无节点 一个节点 两个节点 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 第一阶模态 第二阶模态 第三阶模态 第四阶模态 四自由度系统 一个节点 两个节点 三个节点 无节点 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 模态的正交性,主质量和主刚度 两式相减: 模态关于质量的正交性 模态关于刚度的正交性 均满足: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 当 i=j 时,表达式恒成立 令: 第 i 阶模态主质量 第 i 阶模态主刚度 模态关于质量的正交性 模态关于刚度的正交性 当 i=j 时 利用 Kronecker 符号,可综合写为: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 第 i 阶固有频率: 主模态: 多自由度系统: 另一种模态:正则模态 定义:使全部主质量皆为1的主模态 正则模态和主模态之间的关系: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 正则模态的正交性条件: 主模态的正交性条件: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 多自由度系统: 主模态 模态矩阵 主质量矩阵 主刚度矩阵 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 推导: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 多自由度系统: 正则模态 正则模态矩阵 单位矩阵 谱矩阵 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 多自由度系统: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 例:三自由度系统 模态矩阵: 主质量矩阵: 主刚度矩阵: 谱矩阵: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 模态矩阵: 主质量矩阵: 主刚度矩阵: 谱矩阵: 正则模态矩阵: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 模态叠加法 表明它们是线性独立的,可用于构成 n 维空间的基 系统的任意 n 维自由振动可唯一地表示为各阶模态的线性组合 即系统的振动为 n 阶主振动的叠加 模态叠加法 物理坐标 主模态坐标 模态矩阵 坐标关系: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 另一种模态坐标:正则模态坐标 系统响应: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 小结: 可采用两类模态坐标进行描述 主模态坐标 正则模态坐标 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 求解无阻尼系统对初始条件的响应 可分别采用两类模态坐标进行求解 首先采用主模态坐标 自由振动方程: 模态坐标初始条件: 多自由度系统振动 / 多自由度系统的自由振动 自由振动方程: 坐标变换: 展开模态坐标动力学方程: 多自由度系统振

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