清华大学教程-结构动力学-振动共63页文档
结构动力学 陈政清教授
结构动力学1.概论1.1应用范围（土木工程领域）正问题：地震.风震.移动荷载.动力机械反问题：结构参数与损伤识别地震：由基础传入.激发能量大.高度随机性.作用时间短.风振：可以事微振动.也可能事发散的.造成灾难性的后果。
（Tocoma桥）1940年后才被认识。
车振：列车质量大.恒/活载比小，车振明显：竖向行人振动：人荷载的特点：1.8~2.0步/秒动力荷载：机械周期性运动的不平衡力的激发.结构的振动土木工程师.必须要有很强的结构动力与稳定的意识。
1.2动力问题及其特点一．总的原则：惯性力不可忽略，即是动力问题。
例：一个茶杯.慢慢推它.往前移忽然推它.往后退因此.动力问题也可视为考虑惯性力的平衡问题.二．特点：1.位移不仅是位置的函数，而是时间的函数2. 惯性力荷载与加速度成正比。
F=ma=以后用上面一点表示对时间的数=3.惯性力与质量分布有关.例1.3结构动力学基本术语结构动力学：研究结构在平衡位置的往复振动的特性.一.确定性荷载确定性分析.P(t)有明确的函数表达式，任一时刻的P（t）的已知.例：简谐荷载P（t）=随机荷载随机性分析荷载的时间历程不确定，例如风荷载，可能的地震波，列车过桥的振动。
本课程只讨论研究确定性分析，它式基础，体现的动力学全部的概念与方法，某些随机性问题可以化为确定性分析。
如：地震分析，应用检测的地震波输入.随机荷载随机振动，变为确定性问题。
二．动力设计问题拟定结构解析模型数学模型动力分析动力实验验证动力修改本课程主要研究数学模型与动力分析两部分.三．解析模型（力学模型）3要素：简化假定.计算简图.结构参数表例：梁的解析模型承受横向荷载：平截面假定.直线法假设离散参数模型（集参数模型）集中刚度..集中质量连续参数模型（分布参数模型）：刚度.质量均为连续函数为使问题简化，一般均将连续模型进一步简化为离散模型四．数学模型即解析模型的运动微分方程例：梁的运动方程：m+EI=P(t)建立方法以后讲解：有动力平衡法，虚位移法与达朗尔原理3种＆＆＆＆＆＆五．自由度（DOF：degree of freedom）所考虑的动力系统种位移变量的个数例：附：实变函数论知识：可数无穷.不可数无穷。
结构动力学
m ∆t2
+
c 2∆t
⎞⎠⎟ui+1
=
pi
−
⎛ ⎝⎜
k
−
2m ∆t2
⎞⎠⎟ui
−
⎛ ⎝⎜
m ∆t2
−
c 2∆t
⎟⎞⎠ui−1
中心差分法的数值稳定性证明
设体系为无阻尼，并设外荷载p=0 (算法的稳定性与外荷载无关),则 中心差逐步积分法的递推公式可以写成如下形式：
u&0
=
u1 − u−1 2∆t
u&&0
=
u1
−
2u0 + u−1 ∆t 2
u−1
=
u0
−
∆tu&0
+
∆t 2 2
u&&0
u&&0
=
1 m
(
p0
−
cu&0
−
ku0 )
⎛
5中.3心中差心分差法分计法算步骤：⎜⎝
m ∆t 2
+
c 2∆t
⎞ ⎟⎠
ui
+1
=
pi
−
⎛ ⎜⎝
k
−
2m ∆t 2
⎞ ⎟⎠
ui
−
⎛ ⎜⎝
u&(τ ) = A1 + (ωD A3 − ζωn A2 )e−ζωnτ cosωDτ − (ωD A2 + ζωn A3 )e−ζωnτ sin ωDτ
其中，
A0
=
pi k
− 2ζαi kωn
,
A1
=
αi
k
,
A2 = ui − A0,
《结构动力学》-第六章-多自由度系统振动(一)
问题：[A]中元素是否一定为正？
〈例〉求图示三自由度系统的刚度矩阵和柔度矩阵。
k1
m1
x1 k2
m2
x2 k3
x3 m3
解：易得刚度矩阵为：
k1 k2 K k2 0 k2 k 2 k3 k3 0 k3 k5
m1上加单位力，各质量的位移分别为：
1
mj mn yj yn
m j j y mn n y
m1 1 y
(b)
i
ii
j
ji
1
(c)
i
ij
j
jj
于是： 若在第j个质量上作用有力F，则在第i个质量上产 生的位移将是aij*F； x 若在第j个质量上作用的是惯性力 m j j ，方向与坐标相 反，则在第i个质量上产生的位移将是 aij m j j ； x 若所有质量都有惯性力，则：
d L 2 x x M m( L cos L sin ) dt x
L kx x
d L d m[(x L cos )(L cos ) L2 sin 2 ] dt dt d x m[ xL cos L2 ] L cos x L sin L2 dt
L m Lx sin m gLsin
d L 2 x x M m( L cos L sin ) dt x
〈例〉求图示三自由度系统的刚度矩阵和柔度矩阵。
k1
m1
1 k1 1 可以验证 [ A] k1 1 k1
x1 k2
m2
x2 k3
x3 m3
振动力学与结构动力学-(第一章).
摩擦力： Fd cdx2sgxn
c d ：阻力系数
在运动方向不变的半个周期内计算耗散能量，再乘2：
Ecdx2sgxndx2
T/4
c T/4 d
x3dt
8 3
cd02
A2
等效粘性阻尼系数：
ce
8
3
cd0
A
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四、结构阻尼
由于材料为非完全弹性，在变形过程中材料的内摩擦所引起 的阻尼称为结构阻尼
特征：应力－应变曲线存在滞回曲线
6
第一章 概 论
§1-1 动荷载及其分类 - 从广义上讲，如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减
小的反复变化，就可以称这种运动为振动。 - 如果变化的物理量是一些机械量或力学量，例如物体的位移
、速度、加速度、应力及应变等，这种振动便称为机械振动 。 - 各种物理现象，诸如声、光、热等都包含振动
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– 知识要点：结构被动控制、主动控制的基本概念。常用主动 控制方法的原理。结构主动控制在机械、土木结构工程中应 用简介。
– 重点难点：理解各种控制方法的原理及其具体实现。 – 教学方法：课堂讲授与引导讨论相结合。
主要参考书： • 刘延柱.振动力学.北京：高等教育出版社,1998 • 倪振华. 振动力学. 西安：西安交通大学出版社，1989 • 张准、汪凤泉. 振动分析.南京：东南大学出版社，1991 • 陈予恕.非线性振动. 天津：天津科技出版社，1983 • 龙驭球等编著.《结构力学》下册. 北京：高等教育出版 社，1994
– 教学方法：课堂讲授与引导讨论相结合
• 第六章 结构反应谱与地震荷载计算（8学 时）
– 知识要点：结构反应谱、单自由度和多自由度地震 荷载计算公式、规范中地震荷载计算公式。
结构动力学word版
第十一章结构动力学？？？本章的问题：A.什么是动力荷载？B.结构动力计算与静力计算的主要区别在哪？C.本章自由度的概念与几何组成分析中的自由度概念有何不同？D.建立振动微分方程的方法有几种？E.什么是体系的自振频率、周期？F.什么是单自由度体系的自由振动？G.什么是单自由度体系的受迫振动？H.什么是多自由度体系的自由振动？I.什么是多自由度体系的受迫振动？J.什么叫动力系数？动力系数的大小与哪些因素有关？K.单自由度体系位移的动力系数与内力的动力系数是否一样？L.在振动过程中产生阻尼的原因有哪些？§11—1 概述前面各章都是结构在静力荷载作用下的计算，在实际工程中往往还遇到另外一类荷载，即荷载的大小和方向随时间而改变，这一章我们将讨论这类荷载对结构的反应。
荷载分：静力荷载：是指施力过程缓慢，不致使结构产生显著的加速度，因而可以略去惯性力影响的荷载。
在静力荷载作用下，结构处于平衡状态，荷载的大小、方向、作用点及由它所引起的结构的内力、位移等各种量值都不随时间而变化。
动力荷载：在动力荷载作用下，结构将发生振动，各种量值均随时间而变化，因而其计算与静力荷载作用下有所不同，二者的主要差别就在于是否考虑惯性力的影响。
有时确定荷载是静荷载还是动荷载要根据对结构的反应情况来确定，若在荷载作用下将使结构产生不容忽视的加速度，即动力效应，就应按动荷载考虑。
在工程结构中，除了结构自重及一些永久性荷载外，其他荷载都具有或大或小的动力作用。
当荷载变化很慢，其变化周期远大于结构的自振周期时，其动力作用是很小的，这时为了简化计算，可以将它作为静力荷载处理。
在工程中作为动力荷载来考虑的是那些变化激烈、动力作用显著的荷载。
如风荷载对一般的结构可当做静荷载，而对一些特殊结构往往当做动荷载考虑。
荷载按动力作用的变化规律，又可分为如下几种：(1) 简谐周期荷载这是指荷载随时间按正弦(或余弦)规律改变大小的周期性荷载，例如具有旋转部件的机器在等速运转时其偏心质量产生的离心力对结构的影响就是这种荷载。
【清华大学课件】结构动力学课件(全)
p(t)
t
(b) 非简谐周期荷载
1.2 动力荷载的类型
（3）冲击荷载 荷载的幅值(大小)在很短时间内急剧增大或急剧减小。 突加重量、爆炸引起的冲击波等。
一般情况下，采用广义坐标法，只有N项叠加后，得到的 结果才是真实的物理量（例如位移）。
3、有限元法
有限元法：形函数是定义在分 片区域上的，称为插值函数。
例如： 悬臂梁，分为N个单元，取节点位 移参数(位移u和转角θ)为广义坐标 梁的位移可表示为：
u( x ) = u1φ1 ( x ) + θ1φ2 ( x ) +L + u N φ2 N −1 ( x ) + θ N φ2 N ( x )
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h—框架结构的高度 L—梁的长度 E—弹性模量 Ib和Ic—梁和柱的截面惯性矩
2.1 基本概念
2.1.7 阻尼力（Damping Force）
阻尼：引起结构能量的耗散，使结构振幅逐渐变小的一种作用。 阻尼来源（物理机制）：
(1)固体材料变形时的内摩擦，或材料快速应变引起的热耗散； (2)结构连接部位的摩擦，结构构件与非结构构件之间的摩擦； (3)结构周围外部介质引起的阻尼。例如，空气、流体等。 粘性(滞)阻尼力可表示为：
根据荷载是否预先确定，可将结构动力分析方法分为： 确定性分析和随机振动分析 当不考虑结构体系的不确定性时，选用哪种分析方法将 依据荷载的类型而定。 随机的含义：是指非确定的，但不是指复杂的。 简单的荷载可以是随机的， 例如 F (t ) = A sin(ωt − φ ) 当A或φ为不确定时。 而复杂的荷载也可以是确定性的， 例如已记录到的地震或脉动风引起的作用于建筑结构 的地震作用或风荷载。
振动(清华大学物理教案)
k
m
0
x x
系统机械能守恒
1 1 2 2 以弹簧原长为势能零点 m kx c 2 2
1 1 2 2 2 2 2 mA sin (t ) kA cos (t ) 2 2
m k
2
1 1 2 1 1 2 2 2 2 m kx mA k A 2 2 2 2
所用的最短时间
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解：设 t 时刻到达末态
由已知画出t = 0 时刻的旋矢图
再画出末态的旋矢图
由题意选蓝实线所示的位矢 设始末态位矢夹角为 因为 t 得
o
t 0
x
繁复的三角函数的运算用匀速 圆周运动的一个运动关系求得
t
7π 7π k 6 6 m
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§2 简谐振动的能量
d2 x kx m 2 dt
d x k x0 2 dt m
2
k 令 m
2
d x 2 x 0 简谐振动 2 dt 10
2
例1 复摆（物理摆）的振动 d 2 由转动定律 mgl sin J 2 得
d mgl sin 0 2 dt J
2
o
dt
l
c
mg
对比谐振动方程知： 一般情况不是简谐振动
但若做小幅度摆动 即当
sin
2
时
动力学方程
满足的方程： d mgl 0 2 dt J
d x 2 x 0 2 dt
2
11
d mgl 0 2 dt J
2
对比
d x 2 x 0 2 dt
2
结构动力学-8-精品文档
例:已知图示体系的第一振型, 试求第二振型.
m
EI
2.23 X1 ; 1
解:
T 1
l EI l
y1
m y2
X m0 12 X m X 2 . 23 1 0 2 X 02 m 22
2 . 23 mX 2 mX 0 12 22
2 k X m X i i i
2i
T T 2 X k X X m X i j i j i
X k X 0 i
T j
m22 j X2 j m12 X j 1j
m 1 m2
1 j
mN2 j XNj
m
EI
l EI l
y1
m y2
2 . 23 0 . 897 X ; X 1 2 1 1
m m 2 m
T 1
18 12 7 EI k 1 7 18 48 l3 7 7
i振型上的惯性力 在j振型上作的虚功
mN
X
Nj
X 2 2 W m X X m X X ij 1i 1 i 1 j 2i 2 i 2 j
2 X m X i j i T
X
2 j
由虚功互等定理
j振型上的惯性力 在i振型上作的虚功
2 j T i
2 (2 X m X 0 j i) j i T
Wji W ij
X m X W X m X i ji j
2 j T j
T X m X 0 j i
振型对质量的正交性的物理意义