分析动力学3动力学基本方程
动力学分析
动力学分析静力学分析是用于确保一个结构能够承受稳定载荷的条件，其内力仅是由结构变形引起。
而动力学分析是用来确定惯量和阻尼起重要作用时结构或者构件动力学行为的分析技术，其内力包括运动和结构变形的共同影响。
常见的动力学行为有：（1）振动特征：结构如何振动及振动频率；（2）载荷随时间变化的效应；（3）周期载荷激励（如震荡）。
动力学分析是基于动力学平衡方程，该方程将惯性力包含其中，其公式如下：M-质量；-加速度; I-内力；P-外力。
该公式实质是牛顿第二定律：F=ma动力学分析的类型：（1）振动;（2）冲击；（3）变化载荷；（4）地震载荷；（5）随机振动固有频率和模态实际的的结构具有多个固有频率，在进行结构设计时，要避免固有频率和载荷频率过分接近。
固有频率可以通过分析结构在无载荷（动力平衡方程中P=0）时的动态响应而得到。
此时的运动方程为对于无阻尼系统，I=Ku,则上式变为该方程解的形式为将方程解带入运动方程可以得到特征值问题方程其中λ=w2该系统具有n个特征值，此处n是有限元模型的自由度数。
记λj为第j个特征值。
它的平方根w j是结构的第j阶固有频率，并且φj 是相应的第j阶特征向量。
特征向量就是模态，它是结构在第j 阶振型下跌变形状态。
模态分析模态分析有以下几点要注意：1. 必须定义密度，且只能使用线性单元和线性材料，非线性性质被忽略。
2. 定义一个线性摄动步的频率提取分析步，通常只采用一个分析步。
3. 因为振动被假定为自由振动，所以忽略外部载荷。
4. 施加必要的约束来模拟实际的固定情况，没有约束的方向将计算刚度振型。
下面通过对联轴器进行模态分析，了解ABAQUS的对模态的仿真分析。
联轴器模态分析联轴器材料为钢，其密度为7800kg/m3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.3，轴端面只能做旋转运动，另一端面固定。
求联轴器的前8阶频率与振型。
创建部件、赋予材料属性、装配过程省略，与普通实例的创建过程类似。
动力学问题解析方法总结
动力学问题解析方法总结动力学是研究物体在力的作用下随时间变化的规律的学科，广泛应用于物理学、工程学、生物学等领域。
在解决动力学问题时，我们需要运用一系列的方法和技巧来分析和求解。
本文将针对动力学问题解析方法做一个总结，介绍常用的方法和技巧，以及其适用范围和应用实例。
一、拉格朗日方程拉格朗日方程是解析力学中的重要方法，适用于描述质点、刚体和多体系统的运动。
通过将系统的动能和势能表示为广义坐标的函数，在广义坐标下建立拉格朗日函数，然后通过对拉格朗日函数进行变分，得到系统的拉格朗日方程。
拉格朗日方程能够简化复杂的多自由度系统的动力学问题，使得求解更加便捷。
例如，一个常见的应用是求解一个弹簧振子的运动方程。
通过将系统的动能和势能表示为弹簧伸长量的函数，建立拉格朗日函数，然后利用拉格朗日方程求解出振子的运动方程。
这个方法可以推广到更复杂的系统，如双摆、陀螺等。
二、哈密顿方程哈密顿方程是解析力学中与拉格朗日方程相对应的一种方法。
通过将拉格朗日函数转换成哈密顿函数，建立哈密顿方程，可以得到对应于拉格朗日方程的广义动量和广义坐标的演化方程。
哈密顿方程在一些特定问题的求解中更为有效，特别是在涉及到正则变换和守恒量的问题中。
例如，对于一个自由粒子在势场中运动的问题，通过将拉格朗日函数转换成哈密顿函数，然后利用哈密顿方程求解出粒子的运动方程。
这个方法具有一定的普适性，适用于多体系统的动力学问题求解。
三、牛顿第二定律牛顿第二定律是经典力学中最基本的定律之一，描述了质点受力后的运动规律。
根据牛顿第二定律，物体的加速度与作用于物体的合力成正比，与物体的质量成反比。
通过建立物体的运动方程，可以求解物体在给定力下的运动轨迹和运动状态。
例如，对于一个斜抛运动的问题，我们可以根据牛顿第二定律建立物体在水平和竖直方向上的运动方程，然后通过求解这个方程组，得到物体的运动轨迹和飞行时间等信息。
牛顿第二定律适用于描述质点的运动，是解决实际问题常用的方法。
第十六章 动力学基本方程动量定理动量矩定理.ppt
若vcx0 = 0, 则xc =常量，质心在x轴的位置坐标保持不变。
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例4 质量为m1，长为l的小车上，一质量为m2的人开始时立在 A点，车与人处于静止状态。若不计小车与地面间的摩擦，试
求当人在车上由A点走到B点时，小车向左移动的距离。
y
a
l
A
B
x
解：取小车和人组成的质点系为研究对象，开始时系统 静止，所以系统质心的位置坐标xc保持不变。
在电动机底座上的约束反力。
解: 取整个电动机作为质点系研究， 定子质心加速度a1=0，
转子质心O2的加速度a2=e2，
方向指向O1。
电动机外壳和定子的质心坐标：x1=y1=0
转子质心的坐标:x2=ecosωt,y2=esinωt 质点系质心的坐标：
xc yc
= =
m1x1 + m2 x2
m1 m1 y1
2. 质点系的动量矩定理
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( ) ( ) ( ) 对质点Mi：ddt mz mi vi = mz (Fi ) = mz Fi(e) + mz Fi(i)
( ) (( )) ( ) 对质点系：
d dt mz mi vi
=
因为内力总是成对出现，所以
mz Fi(e) + mz Fi(i ) mz Fi(i) = 0
=
M
(e) z
上式称为刚体定轴转动微分方程。
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三、转动惯量
1. 定义：J z = miri2
若刚体的质量是连续分布，则 J z = m r 2dm
刚体的转动惯量是刚体对某轴转动惯性大小的度量，它的 大小表现了刚体转动状态改变的难易程度。
动力学分析
动力学分析动力学分析主要是分析结构在惯性和阻尼作用下，结构的动力学行为，比如载荷随着时间的变化而变化，振动特性，周期性载荷的激励。
1、动力学分析的基本原理动力学平衡方程式：其中M为质量矩阵，a为结构的加速度，I是结构的内力，F是所施加的外力。
与静力学类比，发现它们的不同点是动力学多了一项惯性力Ma和一项内力I。
在静力学中内力仅仅是由结构的变形引起的，而动力学中除了结构的变形引起内力外，还有运动，比如阻尼的共同影响。
2、什么是固有频率？什么是模态？以弹簧-质量振动为例，所选择的研究对象为弹簧和质量为m的物体。
其中弹簧的内力为ku，则弹簧的固有频率为：如果我们将质量块移动一个位移然后释放，弹簧将会沿着这个方向以这个频率不停的振动。
如果我们在按照这个振动的频率给他施加一个外力F的话，那么位移将会增加，出现共振现象。
当外力F为0时，即没有外载荷的作用时所得到频率为固有频率。
对于一个没有阻尼的系统，I=Ku。
根据以上条件，从而解出u的值。
将所求的U值带入动力学方程中，左侧形成一个矩阵形式，求解出这个矩阵的特征值，而通过计算发现此时特征值的平方根就是结构振动的固有频率值，特征值从小到大排列顺序。
第一个特征值的平方根即为一阶固有频率，第二个特征值的平方根即为二阶固有频率，一次类推。
与之特征值相对应的特征向量即为模态振型，他反应的是结构的变形情况。
3、什么是模态叠加？当一个结构受到外部载荷的情况下（预应力下的模态），最终变形结果可以用固有频率和模态的加权得到。
这种通过模态叠加的方法来研究变形情况，只适用于小变形问题以及线性材料、无接触条件下的动力学分析。
对于一些非线性问题，应该采用动力平衡方程积分的方法，这将会比振型叠加分析花费更多的时间。
进行线性瞬态动力学分析，需要满足以下条件：1.系统是线性的；2.相应受到较少频率的影响；3.系统的阻尼不能太大；4.载荷的频率主要集中在所提取的频率范围内；4、动力学分析主要描述的现象：1.振动2.时变载荷3.冲击4.地震载荷5.随机振动5、工程中常使用的分析类型有：•模态分析（指定频率下的谐波激励下，求取振幅和响应）•瞬态动力学分析（载荷随着时间变化）•谐响应分析（频率为一个范围，简谐载荷下的响应）•随机振动分析（分析部件在变频载荷下的响应）•频谱分析（分析结构对地震等频谱载荷的响应）。
流体动力学三大方程
流体动力学三大方程流体动力学是研究流体运动和流体力学性质的学科，它以三大方程为基础，这三大方程分别是连续性方程、动量方程和能量方程。
在本文中，将对这三大方程进行详细的介绍和解释。
1. 连续性方程连续性方程是描述流体质点的质量守恒的基本方程。
它表明在流体运动中，质量是守恒的，即单位时间内流入某一区域的质量等于单位时间内流出该区域的质量。
连续性方程的数学表达式是通过流体的速度场和流体密度来描述的。
在一维情况下，连续性方程可以表示为流体密度乘以速度的横向梯度等于零。
2. 动量方程动量方程描述了流体力学中质点的动量变化。
根据牛顿第二定律，动量方程可以表达为流体质点的质量乘以加速度等于质点所受到的合力。
在流体动力学中，动量方程的数学表达式是通过流体的速度场、压力场和粘性力来描述的。
动量方程是解决流体力学问题的基础方程之一，它可以用来计算和预测流体的速度和压力分布。
3. 能量方程能量方程描述了流体质点的能量变化。
在流体动力学中，能量方程的数学表达式是通过流体的速度场、压力场、密度和温度来描述的。
能量方程包括了流体的动能、压力能和内能的变化。
能量方程在研究流体的热力学性质和能量转化过程中起着重要的作用。
通过能量方程，可以计算和预测流体的温度分布和能量转化效率。
这三大方程是流体动力学研究中的核心内容，它们相互联系、相互依赖，共同构成了流体运动的基本规律。
连续性方程保证了质量守恒，动量方程描述了力学平衡，能量方程描述了能量转化。
在实际应用中，这些方程可以用来解决各种流体力学问题，如流体的流动特性、压力分布、速度场、能量转化等。
流体动力学三大方程——连续性方程、动量方程和能量方程是研究流体运动和流体力学性质的基础。
它们通过数学表达式描述了质量守恒、力学平衡和能量转化的规律。
这些方程的应用广泛，能够帮助我们理解和预测流体的运动和性质，对于工程设计、自然灾害和环境保护等领域都具有重要意义。
通过研究和应用这些方程，我们可以更好地掌握和利用流体动力学知识，为社会发展和人类福祉做出贡献。
热分析动力学
热分析动力学一、 基本方程对于常见的固相反应来说，其反应方程可以表示为)(C )(B )(A g s s +→ （1）其反应速度可以用两种不同形式的方程表示：微分形式 )(d d ααf k t= （2） 和积分形式t k G =)(α （3）式中：α――t 时物质A 已反应的分数；t ――时间；k ――反应速率常数；f (α)—反应机理函数的微分形式； G(α)――反应机理函数的积分形式。
由于f （α）和G （α）分别为机理函数的微分形式和积分形式，它们之间的关系为：ααααd /)]([d 1)('1)(G G f == （4）k 与反应温度T （绝对温度）之间的关系可用著名的Arrhenius 方程表示：)/exp(RT E A k -= （5）式中：A ――表观指前因子； E ――表观活化能； R ――通用气体常数。
方程（2）～（5）是在等温条件下出来的，将这些方程应用于非等温条件时，有如下关系式：t T T β0+= （6）即：β/=t d dT式中：T 0――DSC 曲线偏离基线的始点温度（K ）； β――加热速率（K ·min -1）。
于是可以分别得到：非均相体系在等温与非等温条件下的两个常用动力学方程式：)E/RT)f(A t d d αexp(/-=α (等温) （7）)/exp()(βd d RT E f AT -=αα (非等温) （8）动力学研究的目的就在于求解出能描述某反应的上述方程中的“动力学三因子” E 、A 和f(α)对于反应过程的DSC 曲线如图所示。
在DSC 分析中，α值等于H t /H 0，这里H t 为物质A ′在某时刻的反应热，相当于DSC 曲线下的部分面积，H 0为反应完成后物质A ′的总放热量，相当于DSC 曲线下的总面积。
二、 微分法2．1 Achar 、Brindley 和Sharp 法：对方程)/exp()(βd d RT E f AT -=αα进行变换得方程：)/exp(d d )(βRT E A Tf -=αα （9）对该两边直接取对数有：RTEA T f -=ln d d )(βln αα （10）由式（11）可以看出，方程两边成线性关系。
动力学方程的推导和解析
动力学方程的推导和解析动力学方程是研究物体运动规律的重要工具，在物理学和工程学等领域有着广泛的应用。
本文将从基本概念出发，介绍动力学方程的推导和解析方法，以帮助读者更好地理解和应用这一重要的物理学原理。
一、动力学方程的基本概念动力学方程描述了物体运动的规律，它是牛顿力学的基石。
在牛顿力学中，动力学方程可以用力的平衡原理来推导，即物体所受合力等于物体的质量乘以加速度。
这一原理可以表示为以下形式的方程：F = ma其中，F代表物体所受的合力，m代表物体的质量，a代表物体的加速度。
这个方程是动力学方程的基本形式，可以用来描述物体在给定力作用下的运动状态。
二、动力学方程的推导动力学方程的推导可以通过分析物体所受的力和质量之间的关系来实现。
首先，我们需要确定物体所受的力，这些力可以来自于重力、弹力、摩擦力等。
然后，根据力的平衡原理，将这些力相加得到物体所受的合力。
最后，将合力除以物体的质量，得到物体的加速度。
以一个简单的例子来说明动力学方程的推导过程。
假设有一个质量为m的物体，受到一个向下的重力作用，以及一个向上的弹力。
根据牛顿第二定律，物体所受的合力等于物体的质量乘以加速度。
因此，我们可以得到以下方程：mg - kx = ma其中，g代表重力加速度，k代表弹簧的劲度系数，x代表弹簧的伸长量。
这个方程描述了物体在重力和弹力作用下的运动规律。
三、动力学方程的解析解析动力学方程是指通过数学方法求解方程，得到物体在给定力作用下的运动规律。
一般情况下，动力学方程是一个微分方程，需要通过积分或其他数学方法来求解。
继续以前面的例子为基础，我们可以通过求解微分方程来得到物体的运动规律。
首先，将方程重写为标准形式：ma + kx = mg然后，我们可以使用数学方法来求解这个微分方程。
例如，我们可以假设物体的位移x是一个关于时间t的函数，即x = x(t)，然后将这个函数代入微分方程中，得到一个关于x和t的方程。
通过求解这个方程，我们可以得到物体的位移随时间变化的函数关系。
分析动力学基础及运动方程的建立
刚度法 取每一运动质量为隔离体， 取每一运动质量为隔离体，通过分析所受的全部 外力，建立质量各自由度的瞬时力平衡方程， 外力，建立质量各自由度的瞬时力平衡方程，得 运动方程。 到体系的运动方程 到体系的运动方程。
柔度法 以结构整体为研究对象， 以结构整体为研究对象，通过分析所受的全部外 利用结构静力分析中计算位移的方法， 力，利用结构静力分析中计算位移的方法，根据 位移协调条件建立体系的运动方程。 运动方程 位移协调条件建立体系的运动方程。
& FD = − cy
c 为阻尼系数，& 为质量的速度。 为阻尼系数， 为质量的速度。 y
数学模型
承受动力荷载的结构体系的主要物理特性： 承受动力荷载的结构体系的主要物理特性： 质量、弹性特性、阻尼特性、 质量、弹性特性、阻尼特性、外荷载 在最简单的单自由度体系模型中， 在最简单的单自由度体系模型中，所有特性都假定集结于 一个简单的基本动力体系模型 基本动力体系模型内 一个简单的基本动力体系模型内，每一个特性分别由一个 具有相应物理特性的元件表示： 具有相应物理特性的元件表示：
结构的自由振动与受迫振动 结构的自由振动与受迫振动
y
y
t
t
定义
结构受外部干扰后发生振动，而在干扰消失后继续振动， 结构受外部干扰后发生振动，而在干扰消失后继续振动， 这种振动称为结构的自由振动 自由振动。 这种振动称为结构的自由振动。 如果结构在振动过程中不断地受到外部干扰力作用， 如果结构在振动过程中不断地受到外部干扰力作用，这种 振动称为结构的强迫振动 又称受迫振动 强迫振动， 振动称为结构的强迫振动，又称受迫振动 。
惯性力： 根据d’Alembert原理，等于质量与加速度的乘积： 惯性力： 根据 原理，等于质量与加速度的乘积： 原理
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本节内容
牛顿力学：影响机械系统质点运动的因素是力 分析力学：影响机械系统质点运动的因素是力和约束
约束对质点施加了力 牛顿力学：内力和外力 内力不改变系统的动量
分析力学？ 内容1：约束的力学特性-理想约束 内容2：动力学基本方程
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约束的力学性质（例）
质点间的力既是内力，又是约束力
达朗贝尔原理－拉格朗日原理： 设质系的质点Pi受主动力Fi的作用，质系的约束都是理想、 双面约束，可能运动ri = ri(t)是真实运动的充分必要条件是：
n
(Fi mi&r&i ) δri 0 动力学普遍方程
i 1
引入理想约束 将质点运动推广到系统运动
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动力学基本原理与牛顿定律
达朗贝尔－拉格朗日原理和牛顿定律是等价的。
牛顿定律 Fi Ni mir&&i 0, i 1, 2,L , n
对理想约束
n
n
(Fi mir&&i ) δri Ni δri 0
i 1
i 1
n
Ni δri 0
i 1
n
(Fi mi&r&i ) δri 0
i 1
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质点所受的力是外力，不是约束力 质点所受的力是外力，是约束力
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虚功
作用在质点Pi上的力Fi在其虚位移ui上所作的功称为力Fi的虚功：
Wi Fi ui
虚功是一个无限小标量
虚功不是功的变分
拉格朗日力学将力分为作虚功的和不作虚功的 拉格朗日力学将从能量观点研究力学问题
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达朗贝尔原理
达朗贝尔原理是关于非自由质点动力学的原理：
F发动 ma F损失 F ma 达朗贝尔原理:作用于质点上的损失 力在每一瞬时都为约束力所平衡
F损失 N 0 达朗贝尔原理将牛顿定律推广到受约束质点
Fi Ni mir&&i 0
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动力学基本原理
(r1
r2 )2
质点所受的约束力不一定与约束面垂直
单个质点的虚功不为0，但其和为0
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约束力的虚功：质点系、铰接
光滑铰链约束：
牛顿第三定律： R1 R2 0
约束点不分离：： r1 r2
W R1 r1 R2 r2 (R1 R2 ) r1
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取刚杆为 隔离体：
ma (R1 R2 )
d (Iω) L dt
m0 I 0
R1 R2 0 L 0
质点所受的约束力大小相等，方向相反，且沿杆的轴向
R1 R2 (r1 r2 )
W R1 r1 R2 r2 R1 ( r1 r2 )
(r1
r2 ) ( r1
r2 )1 2Pa Nhomakorabeae 7约束力的虚功：质点系、接触
两刚体以光滑表面保持接触而运动：
牛顿第三定律： R1 R2 0
可能位移在接触面法线分量相等。
r1法向 r2法向 W R1 r1法向 R2 r2法向 (R1 R2 ) r1法向
体所受的约束力不一定与约束面垂直
单个体的虚功不一定为0
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约束力的虚功：质点、定常约束
质点沿固定光滑的曲面上运动： f (x, y, z) 0
虚位移满足：
f x
x
f y
y
f z
z
0
约束力沿曲面的法线方向：R f f f T x y z
虚功： Wi Ri ui 0
约束力(外力)的虚功为0
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约束力的虚功：质点、非定常约束
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动力学基本原理与牛顿定律
由理想约束的定义和达朗贝尔－拉格朗日原理：
n
n
(Fi mir&&i ) δri Ni δri 0
i 1
i 1
n
(Fi Ni mi&r&i ) δri 0
i 1
用约束反力代替约束后，质系就变成了自由质系， 所有虚位移都是相互独立的，故
Fi Ni mir&&i 0, i 1, 2,L , n
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约束力的虚功：质点系、纯滚动
两刚体以粗糙表面保持接触而运动(纯滚动)：
牛顿第三定律： R1 R2 0
约束力的方向不定
接触点处的速度相同：v1 v2
r1 r2 (dr1 dr1) (dr2 dr2)
(dr1 dr21) (dr dr2) (v1 v2 )dt (v1 v2)dt
0
W R1 r1 R2 r2 R1 ( r1 r2 )
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理想约束
理想约束：约束反力在质系任意虚位移上所做的虚功恒等 于零的约束。
n
Ri δri 0
i 1
理想约束的定义是从实际约束中抽象出来的。
可以根据理想约束来对作用在质点系上的力进行分类
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质点沿运动光滑的曲面上运动： f (x, y, z,t) 0
虚位移满足：
f x
x
f y
y
f z
z
0
约束力沿曲面的法线方向：R
f x
f y
f z
T
虚功： Wi Ri ui 0
约束力(外力)的虚功为0
可能位移与虚位移的差别？
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约束力的虚功：质点系
刚性约束：两质点用轻质刚杆连接