2(运动方程的建立)
结构动力学第二章 运动方程的建立
h—框架结构的高度 E—弹性模量 Ib和Ic—梁和柱的截面惯性矩
ρ→∞：
k
24EIc h3
ρ→0
：
k
6EIc h3
2.1 基本动力体系
3. 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。
非保守力做功的变分等于0。
t2 (T V )dt t2 Wncdt 0
t1
t1
Wnc Pncju j
j
其中：
T —— 体系的总动能； V —— 体系的位能，包括应变能及任何保守力的势能； Wnc—— 作用于体系上非保守力（包括阻尼力及任意外荷载）所做的功； δ —— 指（在指定时间段内）所取的变分。
p(t) fI fD fs 0 fI mu fD cu fs ku
mu cu ku p(t)
图2.8 单质点体系的受力分析
2.2 运动方程的建立
3. 虚位移原理
虚位移原理的优点：虚位移原理是建立在对虚功分析的基础之 上，而虚功是一个标量，可以按代数方式运算，因 而比Newton第二定律，或D’Alembert原理中需要采 用的矢量运算更简便。
对如下图所示结构体系，用虚位移原理建立方程更简便一些
2.2 运动方程的建立
4. Hamilton原理
应用变分法来建立结构体系的运动方程。 动力学中广泛应用的变分法是Hamilton原理 体系的平衡位置是体系的稳定位置，在稳定位置，体系的能量取得极值, 一般是极小值。
第二章结构动力学分析动力学基础及运动方程的建立
K u P M u
动力平衡法的步骤
1）分析体系各质点所受的真实力和假想惯性力； 2）沿质点各自由度方向列出平衡方程。
动力平衡法的优点
把动力问题变成了人们所熟悉的静力问题。
2.2 运动方程的建立
2.2.2 虚位移原理
虚位移原理：如果一个平衡的体系在一组力的作用 下承受一个虚位移，即体系约束所允许的任何微小 位移，则这些力所作的总功等于零。 虚位移：满足体系约束条件的无限小位移。 理想约束：在任意虚位移下，约束反力所作虚功之 和等于零。
描述体系在运动过程中任意时刻全部质点的位置所需要的独 立几何参数的数目。
y2
y1
平面上的质点 W=2
非刚性悬臂 W=2
EI
刚性梁 W=1
四层结构 W=4
图2.1 动力自由度的确定
几个值得注意的问题
1. 弹性体系的振动自由度
描述体系的振动，需要确定体系中全部质量在任一瞬 时的位置，为此所需要的独立坐标数就是弹性体系振动的 自由度。值得注意的是：体系中集中质量的个数不一定等 于体系振动的自由度，自由度数目与计算假定有关，而与 集中质量数目和超静定次数无关。
d T T V ( ) Q j (t ) , j 1, 2, , n dt q j q j q j
t2
t1
(T V )dt
t2
t1
Wnc d建立体系的运动方程 体系的动能
T
1 2 12 m2 u 2 m1u 2
动力学中的运动方程与解法
动力学中的运动方程与解法在动力学中，运动方程与解法是研究物体运动的重要内容。
通过运动方程，我们可以描述物体在特定力下的运动状态，而解法则帮助我们求解出物体的具体运动轨迹和运动过程。
对于工程师和科学家来说，掌握运动方程与解法，可以帮助他们设计出更加高效和精确的运动控制系统。
一、运动方程的建立在动力学中，物体的运动可分为平动和转动。
平动是指物体整体运动，转动则是物体绕轴旋转。
对于平动的物体，其运动方程可以通过牛顿第二定律得到。
牛顿第二定律指出，物体的加速度与其受力成正比，与其质量成反比。
因此，平动物体的运动方程可以表示为：F = ma其中，F为作用在物体上的力，m为物体的质量，a为物体的加速度。
对于转动的物体，运动方程则需要考虑到物体的转动惯量和扭矩。
转动物体的运动方程可以表示为：τ = Iα其中，τ为作用在物体上的扭矩，I为物体的转动惯量，α为物体的角加速度。
二、运动方程的解法1. 利用微分方程求解对于简单的运动情况，我们可以通过求解微分方程来得到物体的运动方程解。
以平动物体的情况为例，假设已知物体的质量m、受力F 和初始条件（如起始位置和速度），我们可以根据牛顿第二定律建立微分方程：ma = F通过求解这个微分方程，可以得到物体的速度v与时间t之间的函数关系v(t)，从而描述出物体的运动过程。
2. 利用数值方法求解在复杂的运动情况下，往往无法精确地求解得到解析解。
这时，我们可以利用数值方法来逼近求解物体的运动方程。
常见的数值方法包括欧拉法、龙格-库塔法等。
通过确定时间间隔，我们可以利用数值方法逐步计算物体的位置和速度，从而得到物体的运动轨迹。
三、应用举例动力学中的运动方程与解法在工程和科学研究中有着广泛的应用。
以下举例说明：1. 火箭的运动对于火箭的运动，我们可以根据火箭的质量、发动机推力和空气阻力建立运动方程。
通过解方程，我们可以分析火箭在不同推力和阻力下的运动轨迹，从而指导火箭的设计和控制。
结构动力学第二章
∂T ∂V d ∂T ( )− + = Pncj (t ), & dt ∂u j ∂u j ∂u j
其中： T —— 体系的动能；
j = 1,2,L , N
V —— 体系的位能，包括应变能及任何保守力的势能； Pncj ——与 uj 相应的非保守力（包括阻尼力及任意外荷载）。
– 红色部分为引入动力自由度概念的目的，蓝色部分为实 现此目的的手段。 – 概念中的“全部”、“独立”两个条件非常关键。
• 严格来说，所以结构体系质量都是连续分布的，为无限自 由度体系，研究比较困难。但许多情况下，可以作一定的 简化，变为有限自由度体系。 • 简化并确定结构动力自由度最典型的方法：集中质量法
动能
1 & mu 2 转动质量 2
T =
1 &2 Jθ 2
1 2 V = ku 转动弹簧 2
1 &2 V = kθ θ 2
位能
1 1 & & &j T = ∑ ∑ mij u i u j = ∑ m j u 2 2 i j 2 j
V =
1 ∑ ∑ kij ui u j 2 i j
∫
1 体系的动能：T = mu 2 & 2
粘滞(性)阻尼力可表示为：
& f D = -cu
D — 表示阻尼（damping） c — 阻尼系数（Damping coefficient）
k c
u m
f S(t) m f D(t) f I (t)
& u — 质点的运动速度
阻尼系数 c 的确定：
• 不能像结构刚度 k 那样可通过结构几何尺寸、构件尺寸等 来获得，因为 c 是反映了多种耗能因素综合影响的系数， 阻尼系数一般是通过结构原型振动试验的方法得到。 • 粘性（滞）阻尼理论仅是多种阻尼中最为简单的一种。 • 其它常用的阻尼：
(结构动力学2)运动方程的建立35
2.1 基本动力体系(tǐxì)
1. 惯性力（Inertial Force）
惯性：保持物体运动状态的能力
惯性力： 大小等于物体的质量与加速度的乘积， 方向与加速度的方向相反。
fI mu
I — 惯性（Inertial）； m— 质量（mass） ；
ü — 质点的加速度。
第六页，共三十六页。
2.1 基本动力体系
因此， d d(t T u )d d(tm u )m u
V 非1 保ku守2 力： 2
P n c c u p (t)
T 0 u
V ku u
代入Lagrange方程： d d(t T u ) T u V uP n(c t) 再一次得到体系的运动方程：
m u c u k u p (t)
第二十四页，共三十六页。
图2.1 结构动力分析中常用的单自由度体系力学模型
第四页，共三十六页。
2.1 基本(jīběn)动力体系
（a）单层框架结构 （b）弹簧―质点体系
两个典型的单自由度体系
物理元件：
集中质量(zhìliàng) m 阻尼系数 c 弹簧刚度 k
两个力学模型完全等效
两个体系的运动方程相同
第五页，共三十六页。
应用变分法来建立结构体系的运动方程。
动力学中广泛应用的变分法是Hamilton原理 体系的平衡位置是体系的稳定位置，在稳定位置，体系的能量取得极值, 一般是极小值。
Hamilton原理：在任意时间区段[t1, t2]内，体系的动能和位能的变分加上
非保守力做功的变分等于0。
t2 (TV)d t t2 W nd c t0
3. 阻尼力（Damping Force）
阻尼：引起结构能量(néngliàng)的耗散，使结构振幅骤渐变小的一种作用 阻尼来源（物理机制）：
【结构动力学】第1章 运动方程 2020
承受动力荷载的任何线性结构体系的主要物理特性是体系的质量、弹 性特性（刚度或柔度）、能量耗散机理或阻尼、以及外部扰力或荷载
单自由度
c
体系模型
k
y (t )
F(t) m
▪ 质量块m，用来表示结构的质量和惯性特性 ▪ 自由度只有一个：水平位移 y(t) ▪ 无重弹簧，刚度为 k，提供结构的弹性恢复力 ▪ 无重阻尼器，阻尼系数c，表示结构的能量耗散，提供结
y P (FI FD )
改写成：
FI
FD
1
y
P
28
位移方程：
FI
FD
1
y
P
其中：
p为动荷载 q(t) 引起的质量沿y方向的位移：
q (t)y(t )
P
5l 4 384 EI
q(t )
惯性力： FI my 阻尼力： FD cy
为自由度方向加单位力所引起的位移，即柔度： 由此得到体系的运动方程：
my cy ky F(t) (2-3)
y(t )
EI l 1
my
cy
12EI
l13
12EI l23
y
FP (t)
12EI 12EI
令： k FS1 FS 2 l13 l23
；k 为（等效）刚度系数。
由此得到体系的运动方程： my cy ky FP (t)
运动方程与(2-3)的形式是一样的！
my cy ky F(t)
（2-3）
14
直接平衡法(达朗贝尔原理)
直接平衡法，又称动静法，将动力学问题转化为任 一时刻的静力学问题：根据达朗贝尔原理，把惯性 力作为附加的虚拟力，并考虑阻尼力、弹性力和作 用在结构上的外荷载，使体系处于动力平衡条件， 按照静力学中建立平衡方程的思路，直接写出运动 方程。
第2章——多自由度系统的振动——运动方程建立方法0425
船体振动基础1第章多自由度系统的振第2章多自由度系统的振动一、引言二、两自由度系统的振动三、多自由度系统的振动四、振动方程建立的其他方法2有阻尼的多自由度系统振动1、拉格朗日方程式1、拉格朗日方程式P38拉格朗日法是建立微分方程一种简单的方法：先求出系统的动能、势能，进而得出质量矩阵和刚度矩阵.优点：系统的动能和势能都是标量，无需考虑力的方向。
141、拉格朗日方程式P38拉格朗日第二类方程式适用于完整约束的系统。
完整约束完整约束：当约束方程本身或约束方程通过积分后可以下式所示的形式表示时，称为完整约束。
不完整约束：当约束方程本含有不能积分的速度项时，系统的约束称为不完整约束。
具有不完整约束的系统，系统的自由度不等于广义坐标数自由度数小于广义坐标数于广义坐标数，自由度数小于广义坐标数。
151、拉格朗日方程式P3811•位移方程和柔度矩阵P40对于静定结构，有时通过柔度矩阵建立位移方程比通过对于静定结构有时通过m1x1x2以准静态方式作用在梁上。
梁只产生位移（即挠度），不产生加速度。
的静平衡位置为坐标P1=1 f11 f21 f12P2=1 f22（1）P1 = 1、P2 = 0 时 m1 位移：x1 = f11 m2 位移：x2 = f 21 （3）P1、P2 同时作用 m1 位移： 位移 x1 = f11 P 1 + f12 P 2 m2 位移：x2 = f 21 P 1 + f 22 P 2（2）P1 = 0、P2 = 1 时 m1 位移：x1 = f12 m2 位移：x2 = f 22P1 m1 x1 x2 P2 m2P1=1 f11 f21 f12 P1 m1 x1P2=1 f22 P2 m2 x2P 同时作用时 1、P 2 同时作用时：x1 = f11P 1 + f12 P 2 x2 = f 21P 1 + f 22 P 2矩阵形式 X = FP 矩阵形式：⎡ x1 ⎤ X =⎢ ⎥ ⎣ x2 ⎦f ij 柔度影响系数f12 ⎤ f 22 ⎥ ⎦⎡ f11 F=⎢ ⎣ f 21⎡P 1⎤ P=⎢ ⎥ ⎣ P2 ⎦物理意义： 系统仅在第 j 个坐标受到 单位力作用时相应于第 i 个坐标上产生的位移柔度矩阵P1 m1 x1P2 m2 x2P1(t) m1 m2P2(t)&1 m1 & x&2 m2 & xX = FP⎡ x1 ⎤ ⎡ f11 ⎢x ⎥ = ⎢ f ⎣ 2 ⎦ ⎣ 21 f12 ⎤ ⎡ P 1⎤ ⎢P ⎥ f 22 ⎥ ⎦⎣ 2 ⎦当P 1、P 2 是动载荷时 集中质量上有惯性力存在⎡ x1 ⎤ ⎡ f11 ⎢x ⎥ = ⎢ f ⎣ 2 ⎦ ⎣ 21 f12 ⎤ ⎡ P && 1 (t ) − m1 x1 ⎤ ⎢ P (t ) − m & ⎥ f 22 ⎥ & x 2 2⎦ ⎦⎣ 2⎡ x1 ⎤ ⎡ f 11 ⎢x ⎥ = ⎢ f ⎣ 2 ⎦ ⎣ 21位移方程:f 12 ⎤⎛ ⎡ P1 (t ) ⎤ ⎡m1 ⎜⎢ −⎢ ⎥ ⎥ ⎜ f 22 ⎦⎝ ⎣ P2 (t ) ⎦ ⎣ 0&1 ⎤ ⎞ 0 ⎤⎡ & x ⎟ ⎥ ⎢ ⎥ &2 ⎦ ⎟ m2 ⎦ ⎣ & x ⎠&& ) X = F ( P − MXP1(t) m1 m2P2(t)⎡ x1 ⎤ X =⎢ ⎥ ⎣ x2 ⎦⎡P 1 (t ) ⎤ P=⎢ ⎥ P ( t ) ⎣ 2 ⎦&1 m1 & x&2 m2 & x位移方程 位移方程：&& ) X = F ( P − MX也可按作用力方程建立方程：&& + KX = P MX刚度矩阵&& + X = FP FMX柔度矩阵与刚度矩阵的关系 柔度矩阵与刚度矩阵的关系：&& KX = P − MX若K非奇异F=K−1FK = I&& ) X = K −1 ( P − MX应当注意：对于允许刚体运动产生的系统（即具有刚体自由度的系统） ， 柔度矩阵不存在。
结构动力学 -单自由度体系的振动
13
§2.2 无阻尼自由振动
自由振动(free vibration) ：无外界干扰的体系振动形 态称为自由振动（free vibration）。振动是由初始位 移或初始速度或两者共同影响下所引起的。 无阻尼自由振动：如果阻尼系数等于零，则这种自由 振动称为无阻尼自由振动（undamped free vibration）。 假设由于外界干扰，质点离开平衡位置，干扰消失后， 质点将围绕静力平衡点作自由振动。
或：m y ( t) c y ( t) k ( t) y m y g ( t) P e( f t) f
Peff (t ) ：等效荷载，即在地面加速度yg (t )影响下，结构的响
应就和在外荷载p (t )作用下的响应一样，只是外荷载 p (t )
等于质量和地面加速度的乘积。
干扰力的大小只能影响振幅A的大小，而对结构自
振周期T的大小没影响。
（2）自振周期与质量平方根成正比，质量越大，则
周期越大；自振周期与刚度的平方根成反比，刚度
越大，则周期越小。要改变结构的自振周期，只有
改变结构的质量或刚度。
24
§2.2 无阻尼自由振动
k g
m
st
（3）把集中质点放在结构上产生最大位移的地方，则可
1、位移以静力平衡位置作为基准的，而这样确定的位移 即为动力响应。
2、在求总挠度和总应力时，要把动力分析的结果与静
力分析结果相加。
9
§2.1运动方程的建立
3、支座运动的影响 结构的动位移和动应力既可以由动荷载引起，也
可以由结构支座的运动而产生。 1）由地震引起建筑物基础的运动； 2）由建筑物的振动而引起安置在建筑物内的设备 基底的运动等等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
:
k
24EIc h3
0 :
k
6EIc h3
9/45
2.1.5 阻尼力 （Damping Force）
阻尼：引起能量的耗散，
使振幅变小的一种作用。
阻尼的来源(物理机制)：
(1)材料变形时的内摩擦，或材料快速应变引起的热耗散； (2)构件连接部位的摩擦； (3)结构周围外部介质引起的阻尼。例如，空气、流体等。
◆ 牛顿(Newton)第二定律 ◆ D’Alembert原理 ◆ 虚位移原理 ◆ Hamilton原理 ◆ Lagrange方程
14/45
运动方程：
描述结构中力与位移(包括速度和加速度)关系 的数学表达式，有时也称为动力方程。
运动方程是进行结构动力分析的基础 运动方程的建立是结构动力学的重点和难点
11/45
2.1.6 线弹性体系和粘弹性体系
(Linearly Elastic System and Viscous Elastic System) 线弹性体系：由线性弹簧(或线性构件)组成的体系。
—最简单的理想化力学模型。
粘弹性体系：当线弹性系统中进一步考虑阻尼(粘性阻尼) 的影响时的体系。
—结构动力分析中的最基本力学模型。
粘性(滞)阻尼力可表示为：
fD cu
fD
u fD
fD
c 1
u
D — 表示阻尼(Damping)
(a)
c — 阻尼系数(Damping coefficient)
u — 质点的运动速度
(b)
10/45
阻尼系数 c 的确定： 不能像结构刚度k那样可通过结构几何尺寸、构件尺寸和
材料的力学性质等来获得，因为c是反映了多种耗能因 素综合影响的系数，阻尼系数一般是通过结构原型振 动试验的方法得到。 粘性(滞)阻尼理论仅是多种阻尼中最为简单的一种。 其它常用的阻尼： 摩擦阻尼：阻尼力大小与速度大小无关，一般为常数； 滞变阻尼：阻尼力大小与位移成正比(相位与速度相同)； 流体阻尼：阻尼力与质点速度的平方成正比。
动力自由度：决定结构体系质量位置所需的独立参数 称为结构的动力自由度。
动力自由度的数目：决定结构体系质量位置所需的独 立参数的数目称为结构的动力自由度的数目。
5/45
2.1.2 实位移、可能位移和虚位移
可能位移： 满足所有约束方程的位移称为体系的可能位移。
实位移： 如果位移不仅满足约束方程，而且满足运动方程 和初始条件，则称为体系的实位移。
d 2u d 2t
mu
F(t) mu 0
fI mu
I — 表示惯性(Inertial)； m— 质量(mass)； ü — 质点的加速度。
坐标方向：向右为正
7/45
2.1.4 弹簧的恢复力
（Resisting Force of Spring）
对弹性体系，弹簧的恢复力也被称为弹性恢复力 弹性恢复力：大小等于弹簧刚度与位移(弹簧变形)的乘积
首先通过对简单结构体系(单自由度体系)的讨论介 绍结构动力分析中存在的基本物理量及建立运动方程的 方法，然后介绍更复杂的多自由度体系运动方程的建立。
15/45
单自由度体系： SDOF (Single-Degree-of-Freedom) System 结构的运动状态仅需要一个几何参数即可以确定
4/45
The number of independent displacements required to define the displaced positions of all the masses relative to their original position is called the number of degrees of freedom (DOFs) for dynamic analysis. — A. K. Chopra
12/45
2.1.7 非弹性体系 (Inelastic System)
结构构件的力—变形关系为非线性关系，结构刚度不再为常数。 构件(或弹簧)的恢复力可表示为
fs fs (u ,u)
fs 是位移和速度的 非线性函数。
非弹性体系中结构构件的力与位移关系
13/45
第2章 运动方程的建立
2.2 运动方程的建立
方向指向体系的平衡位置。
fs ku
fs
k
1
a
d
-u0
O
b
u u0
fs k
1
u
s— 表示弹簧(Spring) c
(a)
k— 弹簧的刚度(Spring Stiffness)
u— 质点位移
(b)
8/45
单层框架结构的水平刚度
k
24EIc h3
6 1 6 4
;
h(EIb ) / L(EIc )
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
虚位移： 在某一固定时刻，体系在约束许可的情况下可能 产生的任意组微小位移，称为体系的虚位移。
6/45
2.1.3 惯性力（Inertial Force）
惯性：保持物体运动状态的能力。
惯性力：大小等于物体的质量与加速度的乘积?!，
方向与加速度的方向相反。
F
(t)
d dt
m
du dt
F (t )
m
3/45
2.1.1 广义坐标与动力自由度
广义坐标：能决定质点系几何位置的彼此独立的量称为 该质点系的广义坐标。 广义坐标可以取长度量纲的量，也可以用角度甚 至面积和体积来表示。
静力自由度的概念：确定结构体系在空间中位置所需的 独立参数的数目称为结构的自由度。
动力自由度的定义：结构体系在任意瞬时的一切可能的 变形中，决定全部质量位置所需的独立参数的数目称 为结构的动力自由度(数)。
The number of displacement components which must be considered in order to represent the effects of all significant inertial forces of a structure may be termed the number of dynamic degrees of freedom of the structure. — R. Clough
结构动力学
教师：王君杰 助教：宋彦臣
同济大学 土木工程学院桥梁工程系 2014年秋
1/45
结构动力学 第2章
运动方程
2/45
第2章 运动方程的建立
2.1 基本概念
● 广义坐标与动力自由度 ★ 实位移、可能位移和虚位移 ★ 广义力 ● 惯性力 ● 恢复力 ● 阻尼力 ● 线弹性体系和粘弹性体系 ● 非弹性体系