《 结构动力学》第8章实用振动分析.pdf

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结构动力学

(2003秋)

结构动力学

第八章

实用振动分析

概述

振型叠加法是求解线弹性多自由度体系动力反应的行之

有效方法。一般来说,在确定前若干阶模态和频率之

后,任何线性结构动力反应的近似解都很容易求得。

应当注意,我们所面临的结构范围十分广泛,从只有几

个自由度的高度简化的数学模型、只需要考虑一、二

阶模态就能求得动力反应的近似解,一直到包含几百

甚至数万个自由度的高度复杂的有限单元模型,其中

可能有50或100阶模态对结构反应有重要影响。

显然,要求解大型结构至要求阶数的模态和频率,完全

利用行列式方程的解法是困难的。从数学来观点看,

求解各类结构的模态和频率属于矩阵特征值问题,自

然地,可以利用矩阵特征值的求解技术来处理结构模

态和频率的求解问题。

新的实用振动分析内容

8.1Rayleigh法

8.2Rayleigh-Ritz法

8.3结构动力分析中的Ritz向量叠加法

8.4结构动力分析中的等效单自由度法

8.5矩阵迭代法

8.6雅可比迭代法

8.7子空间迭代法

本章课堂教学中仅介绍Rayleigh法和Rayleigh-Ritz

法。

8.1Rayleigh法

Rayleigh法的基本原理是能量守衡定律

对任意的保守系统,其振动频率可跟据Rayleigh法由运

动过程中最大应变能与最大动能相等而求得。

对于具有任意自由度的结构体系,用Rayleigh法求其基

频有两种处理方式,一种是把结构看成连续体系,通

过假设结构在基本模态中的变形形状和运动幅值(广义

坐标)变化规律,将连续的结构体系化为单自由度体系,

利用运动过程中最大应变能与最大动能相等的原则求

结构基频;另一种处理方式则是在多自由度离散坐标

系中应用同样的方法求解结构基频。本节重点介绍

Rayleigh法在多自由度离散坐标系中的原理和应用。

8.1Rayleigh法

将结构的位移用假设的振型和广义坐标幅值来表示:

{u(t)}{ψ}z(t){ψ}Zsinωt

ψ—假设的振型向量,z(t)—广义坐标,Z—z(t)的振幅。

速度向量为:

{u(t)}{ψ}Zωcosωt

结构动能:

1T122T2

TuMuZω{ψ}[M]{ψ}cosωt

{}[]{}

22

结构位能:

1T12T2

EuKuZ{ψ}[K]{ψ}sinωt

{}[]{}

22

8.1Rayleigh法122T212T2

TZω{ψ}[M]{ψ}cosωtEZ{ψ}[K]{ψ}sinωt

22

122T

结构最大动能:TZω{ψ}[M]{ψ}

max2

12T

结构最大位能:Emax

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