雙自由度與多自由度的受迫振動ppt課件

一.雙自由度系統(tǒng)受迫振動,1.雙自由度系統(tǒng)的無阻尼受迫振動 和單自由度系統(tǒng)一樣，雙自由度系統(tǒng)在受到持續(xù)的激振力作用時就會產(chǎn)生受迫振動，而且在一定條件下也會產(chǎn)生共振。我們首先考慮無阻尼的情況。 運動方程： 圖示系統(tǒng)的運動方程為：,兩個自由度系統(tǒng)的受迫振動,右圖所示為雙自由度無阻尼受迫振動系統(tǒng)的動力學(xué)模型。在質(zhì)量 上持續(xù)作用著一個簡諧激振力 我們把受有簡諧激振力的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)稱為主系統(tǒng)，把不受激振力作用的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)稱為子系統(tǒng)。,1,這一振動系統(tǒng)的運動微分方程為： 這是一個二階非齊次線性常系數(shù)微分方程，其通解由兩部分組成。一是對應(yīng)于第一個方程式右邊項為零的齊次微分方程組的解，即自由振動。當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時，這一自由振動經(jīng)過一段時間后逐漸衰減。二是對應(yīng)上述非齊次微分方程組的一個特解，它是由系統(tǒng)的激振力引起的受迫振動，即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動。 只研究穩(wěn)態(tài)振動時，可設(shè)上列微分方程組有簡諧振動的特解： 對上式分別求一階及二階導(dǎo)數(shù)：,2,代入后矩陣表示成： 設(shè)系統(tǒng)的固有頻率為 和 ，系數(shù)矩陣可表示為： 解出：,3,頻率響應(yīng)函數(shù)： 該非齊次方程組通解：,4,2.振動特性的討論,運動規(guī)律：由上述討論可以得知，雙自由度系統(tǒng)無阻尼受迫振動的運動規(guī)律是與激振力同頻的簡諧振動。 頻率及固有頻率：雙自由度系統(tǒng)無阻尼受迫振動的頻率與激振力的頻率相同。 振幅：由上圖幅頻響應(yīng)曲線可知，當(dāng)激振力頻率等于系統(tǒng)的第一階固有頻率時或者第二階固有頻率時，此時的振幅 、 趨于無窮大，即共振現(xiàn)象。這就是說，在雙自由度系統(tǒng)中，如果激振力的頻率和系統(tǒng)的任何一階固有頻率相近時，系統(tǒng)都將產(chǎn)生共振，所以雙自由度系統(tǒng)有兩個共振區(qū)。另外，如果子系統(tǒng)通過彈簧傳給主系統(tǒng)的力正好與作用在主系統(tǒng)上的激振力相平衡，這時主系統(tǒng)的受迫振動就被子系統(tǒng)完全吸收掉而保持靜止，這個特性常用來設(shè)計動力減振器。 當(dāng)激振力的頻率趨向于無窮時， 、 均趨于零，即激振力頻率很高時，兩個質(zhì)量都幾乎不動。這也和單自由度系統(tǒng)受迫振動的特性很相似。,5,3.雙自由度系統(tǒng)的有阻尼受迫振動,平衡條件： 矩陣形式：,6,上式可以簡記為： M-質(zhì)量矩陣，C-阻尼矩陣，K-剛度矩陣。 4.動力消振器 （1）無阻尼情況： 穩(wěn)態(tài)解： 系數(shù)行列式：,動力消振器,7,為方便討論穩(wěn)態(tài)振動的特性，令主系統(tǒng)固有頻率為 子系統(tǒng)固有頻率為 。則由主系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)曲線可知當(dāng)激振力頻率與主系統(tǒng)固有頻率的比值為1時，即滿足： 此時 ， ,由于 也就是說子系統(tǒng)通過彈簧 傳給主系統(tǒng)的力，正好與作用在主系統(tǒng)上的激振力相平衡。這樣，主系統(tǒng)的受迫振動就被子系統(tǒng)完全吸收掉而保持靜止，這就是動力消振原理。 （2）有阻尼的情況：,主系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線,8,穩(wěn)態(tài)解： -復(fù)激振力的力幅； 響應(yīng)的復(fù)幅值。 將穩(wěn)態(tài)解的表達式代入矩陣形式表達式， 振幅： 下圖為單自由度系統(tǒng)的幅頻曲線和動力消振器響應(yīng)曲線：,9,結(jié)論： 阻尼存在時，主質(zhì)量的振幅不可能抑制到零，但可以控制在一個較小的范圍； 原系統(tǒng)只有一個固有頻率和共振峰；現(xiàn)在有兩個固有頻率和共振峰； 起消振作用的頻率范圍很窄，在主系統(tǒng)的固有頻率 附近。,單自由度系統(tǒng)的幅頻曲線與消振器響應(yīng)曲線,10,二.影響系數(shù)法建立多自由度鏈?zhǔn)较到y(tǒng) 建立和求解多自由度系統(tǒng)振動的運動微分方程式，可以采用達朗貝爾原理的方法。但是隨著自由度數(shù)目的增加，方程組中包含的方程式的數(shù)量和復(fù)雜程度大大增加，計算工作量大，求解易出錯。因此，對于一些特殊的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，又常用影響系數(shù)法。同時對于一些簡單的模型，也常使用隔離法分析。下面我們分別介紹建立多自由度系統(tǒng)振動方程的影響系數(shù)法和簡單模型的隔離法。 1.影響系數(shù)法,多自由度鏈狀系統(tǒng),右圖為兩類鏈狀系統(tǒng)，其中（a）圖為平動多自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼振動系統(tǒng)，（b）為轉(zhuǎn)動多自由度轉(zhuǎn)子-彈簧-阻尼扭振系統(tǒng)。兩者在動力學(xué)模型和方程上即為相似，只是將相應(yīng)的慣性元件、彈性元件和阻尼元件的代號更換，這里以平動系統(tǒng)為例說明。,11,（1）剛度系數(shù)法 在圖（a）所示的平動系統(tǒng)中，質(zhì)量塊 分別在作用力 和對應(yīng)的彈簧-阻尼元件作用下振動，在系統(tǒng)靜止時建立各自的位移坐標(biāo) 。假定彈簧變形在其線性范圍內(nèi)，阻尼為粘性阻尼，則系統(tǒng)為線性系統(tǒng)?，F(xiàn)在討論第i（i=1,2,n）個質(zhì)量塊的受力情況。為此，我們給出以下定義： 僅考慮質(zhì)量的作用時，定義質(zhì)量（慣性）影響系數(shù)為在使第j個質(zhì)量塊具有單位加速度（加速度為1）而其他質(zhì)量塊無加速度的情況下平衡第i個質(zhì)量塊的慣性力所施加的作用力mij。該力方向與加速度方向同向時為正，反向時為負。據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，在第i個質(zhì)量塊所施加的外力 就是所有阻尼影響系數(shù) （j=1,2,n）與對應(yīng)位置處質(zhì)量塊加速度 的乘積之和：,12,僅考慮阻尼的作用時，定義阻尼影響系數(shù) 為第j個 質(zhì)量塊產(chǎn)生單位速度（速度為1）而其他質(zhì)量塊無速度的情況下外界對第i個質(zhì)量塊所施加的作用力，該作用力包含大小和方向，其中力方向與速度方向同向時為正，反向時為負。 據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，在第i個質(zhì)量塊所施加的外力 就是所有阻尼影響系數(shù) （j=1,2,n）與對應(yīng)位置處質(zhì)量塊速度 的乘積之和： 僅考慮彈簧的作用時，定義剛度影響系數(shù) 為第j個質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移為1而其他質(zhì)量塊固定不動的情況下外界對第i個質(zhì)量塊所施加的作用力，該力包含大小和方向，其中力方向與單位位移方向同向時為正，反向時為負。 根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，第i個質(zhì)量塊所受外力 就是所有剛度影響系數(shù) （j=1,2,n）對應(yīng)位置處質(zhì)量塊位移 的乘積之和：,13,而實際中，需要同時考慮質(zhì)量、阻尼和彈簧的作用，因此第i個質(zhì)量塊所受外激勵為上述三個外力之和，即： 設(shè)鏈?zhǔn)较到y(tǒng)有n個質(zhì)量塊組成，將每個質(zhì)量塊的受力情況按照上式表示出來：,.,14,上面一系列式子可以用矩陣歸納表達： 式中,.,15,分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣與剛度矩陣。 分別為系統(tǒng)的位移、 速度、加速度列陣。 為系統(tǒng)的外力矩陣。 補充： 剛度系數(shù)法在使用過程中需要多次使用力平衡或者力矩平衡原理。 對于非鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，上述的位移、速度及加速度都是指廣義坐標(biāo)位置處的。 上列矩陣中的任一元素 分別代表第i坐標(biāo)和第j坐標(biāo)之間的慣性、阻尼和剛度的相互影響，故分別稱之為影響系數(shù)。顯然， 只要能確定影響系數(shù)的數(shù)值，即可求出各系統(tǒng)矩陣。 一般情況下，對于鏈?zhǔn)骄€性系統(tǒng)，若能設(shè)法求出系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣就可以直接按照上式寫出系統(tǒng)的運動微分方程式。,16,（2）柔度系數(shù)法 經(jīng)過以上的分析可以知道，在利用剛度系數(shù)法來建立系統(tǒng)運動的作用力方程過程中，需要引入力平衡的概念，當(dāng)系統(tǒng)的自由度較多時，多次人為的增加約束，計算過程較為復(fù)雜。接下來介紹的柔度系數(shù)法計算較之較為簡單。 柔度系數(shù)在數(shù)學(xué)上是彈簧剛度系數(shù)的倒數(shù)，在物理上表示彈簧一端受到單位力時發(fā)生的變形量。若彈簧的剛度系數(shù)為k，則柔度系數(shù)表示成： 。 在上圖所示的平動系統(tǒng)中，先不考慮阻尼的影響。質(zhì)量塊 分別在靜力 的作用有位移 。假定彈簧變形在其線性范圍內(nèi)，則系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。 我們定義柔度影響系數(shù) 為在系統(tǒng)的第j個質(zhì)量塊上施加一單位力時，在第i個質(zhì)量塊上所產(chǎn)生的位移大小。這樣，第i個質(zhì)量塊的實際位移 可以表示為：,17,現(xiàn)將每個質(zhì)量塊的位移表示出： 上面一系列式子可以用矩陣歸納表達：,.,.,18,上式中的 稱為系統(tǒng)的柔度矩陣， 為位移列陣， 為系統(tǒng)的外力列陣。 在上式中，假如 不是靜力，而是變化的動力，則系統(tǒng)開始振動，這樣根據(jù)達朗貝爾原理，實際對每個質(zhì)量塊上所施加的動力應(yīng)在所施加的作用力基礎(chǔ)上減去平衡各自的慣性力的那一部分。這時上式應(yīng)改寫為： 矩陣化為：,19,上式可以簡寫成： 上式是用柔度矩陣表示的多自由度無阻尼系統(tǒng)的運動方程，稱為系統(tǒng)運動的位移方程。而把用剛度矩陣表示的多自由度系統(tǒng)的運動方程稱為系統(tǒng)運動的作用力方程。對于多自由度無阻尼系統(tǒng)，作用力方程的一般形式為： 用柔度矩陣的逆矩陣 前乘上上式得： 對比（1）與（2）式可知：,20,這就是說，對于同一個系統(tǒng)，若選取相同的廣義坐標(biāo)，則系統(tǒng)的剛度矩陣k和柔度矩陣互為逆矩陣。因此，對于那些直接確定剛度矩陣比確定柔度矩陣?yán)щy得多的系統(tǒng)，就可以借助求柔度矩陣的逆矩陣的辦法來得到系統(tǒng)的剛度矩陣。 當(dāng)考慮系統(tǒng)阻尼的作用時，多自由度系統(tǒng)運動的作用力方程，如前所述應(yīng)為如下形式： 將上式兩端前乘： 由于 上式又可以化簡成： 通過求解系統(tǒng)的柔度矩陣，再求逆以獲得系統(tǒng)的剛度矩陣，這是柔度矩陣的主要作用。所謂的求解系統(tǒng)振動微分方程的柔度系數(shù)法主要指求解系統(tǒng)的柔度矩陣，而系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼矩陣仍需通過剛度系數(shù)法中的步驟求解。,21,三.隔離法建立多自由度鏈?zhǔn)较到y(tǒng) （1）隔離法簡介 隔離法是指對物理問題中的單個物理或單個過程進行分析、研究的方法。在力學(xué)中，就是把要分析的物體從相關(guān)的物體體系中隔離出來，作為研究對象，只分析研究對象以外的物體對該對象的作用力，不考慮研究對象對其他物體的作用力。 在使用隔離法時，容易看清單個物體的受力情況或單個過程的運動情況。在分析系統(tǒng)內(nèi)各物體間的相互作用時用隔離法可以使問題變得簡單。 以雙自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)為例，如右圖所示。質(zhì)體m1和m2用彈簧 k1聯(lián)系，而他們的基礎(chǔ)由彈簧k2與地面聯(lián)系。假定兩質(zhì)體只沿鉛垂方 向做往復(fù)直線運動，質(zhì)體m1和m2的任一瞬間位置只要用x1和x2兩個獨 立坐標(biāo)就可以確定。,雙自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),22,在連接體中把兩個物體分別從系統(tǒng)中“隔離”出來，作為研究對象，分析受力情況，依據(jù)牛頓第二定律列方程，總的原則是所列方程數(shù)與未知量的個數(shù)相等。 以 和 的靜平衡位置為坐標(biāo)原點，取數(shù)值向下為正方向。在振動的任一時刻， 和 的位移分別為 和 。用隔離法分析兩個質(zhì)量塊如右圖所示，列出質(zhì)體的振動微分方程如下：,隔離法分析雙自由度系統(tǒng),23,