结构动力学
结构动力学稳定分析与优化设计
结构动力学稳定分析与优化设计概述：结构动力学稳定性是指结构在受到外力作用后能否保持稳定的能力。
在工程设计中，稳定性是确保结构的安全和可靠性的关键因素之一。
结构动力学稳定分析与优化设计是通过对结构的动力学响应进行分析和优化，以提高结构的稳定性和性能。
1. 结构动力学稳定性分析结构动力学稳定性分析是确定结构在受到外力作用时是否会发生不稳定现象的过程。
它通常包括以下几个步骤：1.1. 力学模型的建立：根据结构的实际情况，建立结构的力学模型。
可以采用有限元法、弹性力学理论等方法进行建模。
1.2. 动力学方程的建立：根据结构的力学模型，建立结构的动力学方程。
通过求解动力学方程，可以得到结构的动力学响应。
1.3. 稳定性判据的选择：选择合适的稳定性判据来评估结构的稳定性。
常用的稳定性判据包括屈曲、失稳、临界荷载等。
1.4. 分析与评估：根据所选的稳定性判据，对结构的稳定性进行分析与评估。
如果结构不稳定，则需要进行优化设计以提高结构的稳定性。
2. 结构动力学优化设计结构动力学优化设计是通过对结构参数的调整和优化，以提高结构的稳定性和性能。
它的核心思想是在满足结构约束条件的前提下，通过改变结构的几何形状、材料参数或连接方式等因素，来达到最优的结构性能。
2.1. 设计变量的选择：设计变量是指影响结构性能的参数，包括结构的几何形状、材料参数、连接方式等。
在优化设计中，需要选择合适的设计变量来进行调整和优化。
2.2. 目标函数的设定：目标函数是衡量结构性能的指标，例如结构的最小重量、最小位移、最大刚度等。
在优化设计中，需要设定合适的目标函数来指导优化过程。
2.3. 约束条件的设置：结构的优化设计必须满足一定的约束条件，例如材料的强度、几何形状的限制等。
在优化设计中，需要设置适当的约束条件来保证结构的可行性和可靠性。
2.4. 优化算法的选择：优化算法是实现结构优化设计的关键工具。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
力学中的结构动力学响应与优化
力学中的结构动力学响应与优化力学是研究物体静态和动态力学性质的学科，而结构动力学响应与优化则是力学中的一个重要分支，通过分析结构体在外部力作用下的波动响应，找到最优的结构设计方案。
一、结构动力学响应在力学中，结构动力学响应是指结构体在受到外部力作用后所产生的振动与变形情况。
结构动力学响应可以分为静力响应和动力响应两种情况。
1. 静力响应静力响应是指结构体在受到稳定作用力后的平衡状态。
通过分析材料的力学性质和结构体的几何形状，可以计算出结构体在受力状态下的内力和变形情况。
静力响应的分析方法通常采用力平衡方程和材料本构关系进行计算。
2. 动力响应动力响应是指结构体在受到动态作用力或振动载荷时的响应情况。
动力响应的分析需要考虑结构的惯性和阻尼特性。
通过求解结构的振动方程，可以得到结构体在不同频率下的振动模态和共振情况。
动力响应的分析方法通常采用有限元法、模态分析等数值计算方法。
二、结构动力学优化结构动力学优化是在给定一定的约束条件下，通过调整结构体的形状、材料和结构参数，使得结构体在外部力作用下具有更好的响应性能。
结构动力学优化可以分为静力优化和动力优化两种情况。
1. 静力优化静力优化是指通过调整结构体的形状和几何参数，以使结构体在受力状态下具有更小的应力和变形。
静力优化的目标可以是最小化结构的重量、最大化结构的刚度或满足特定的结构性能要求。
静力优化的方法有拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。
2. 动力优化动力优化是指通过调整结构体的参数和材料特性，以使结构体在受到动态作用力或振动载荷时具有更好的阻尼特性和振动响应控制能力。
动力优化的目标可以是最小化结构的振动幅值、最大化结构的振动模态频率或实现特定的振动控制要求。
动力优化的方法有结构参数优化、材料优化和阻尼控制优化等。
结构动力学响应与优化在工程领域具有广泛的应用。
例如，在建筑工程中，通过分析房屋结构在地震作用下的动力响应，可以设计出具有良好抗震性能的建筑物；在航空航天工程中，通过优化飞机结构的动力响应特性，可以提高飞机的飞行稳定性和安全性。
结构动力学
结构动力学
结构动力学是一门应用物理和数学原理研究动态可塑结构行为的
工程学科。
它不仅涉及到结构力学中的结构响应，而且还涉及到动力
学中的系统性研究。
目标是了解和计算结构受外力作用时的运动行为，预测出结构所受冲击能量，强度和变形情况。
例如，对于一艘平衡船，结构动力学可以帮助我们发现哪些部件会受到激烈的冲击力，以及船
体什么时候会趋向平衡。
为了理解结构动力学，我们需要了解力学。
力学是一种使用物理
学原理的工程学科，主要关注作用在物体上的各种力和它们之间的作用。
例如，重力和导热力是两个典型的力，它们混斗在一起影响物体
的运动。
结构动力学是将力学概念应用于特定可塑结构上，用来分析结构
随时间改变的行为特性。
其中，最常见的类型包括结构稳定性和可塑性，它们可以被应用于从最小的桥梁到最大的建筑结构。
在更深层次上，结构动力学考察不同刚度结构之间的行为，并且考察这些行为如
何通过各种力学和外力来影响复杂系统。
此外，结构动力学还可以用来检查建筑结构的设计是否正确。
它
可以检查系统中机械强度，稳定性和结构完整性，以免因结构设计不
当而出现过分的变形和破坏。
总之，结构动力学是一门复杂的工程学科，研究的内容涉及到力学，动力学，计算机技术和材料科学等多个领域。
它被广泛用于建筑，船舶，飞机，汽车，桥梁，机器人和其他复杂结构的设计与研究中。
结构动力学习题解答
然后积分求初始速度
̇̇ d t = θ̇0 = θ 0
0+ 0+ 0+
∫
0
∫ hδ ( t ) d t = h ∫ δ ( t ) d t = h
0 0 0+
；
再积分求初位移
̇̇ d t == h )d t = 0 ； θ0 = θ 0
0+
∫
0
∫
0
̇̇ 、 θ̇ 和 θ 的瞬态响应 这样方程（6）的解就是系统对于初始条件 θ 0 0 0
1.6 求图 1-35 所示系统的固有频率。图中磙子半径为 R，质量为 M，作纯滚动。弹簧刚度 为K 。 解：磙子作平面运动， 其动能 T=T 平动 +T 转动 。
K R M 图 1-35 x
T平动 = T转动
1 ̇2; Mx 2 2 2 ̇ ⎞ 1 ⎛ MR 2 ⎞ ⎛ x ̇⎞ 1 ⎛x = I⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟ ; 2 ⎝R⎠ 2 ⎝ 2 ⎠⎝ R ⎠
U= r 2 1 1 1 1⎛ K A ϕ A 2 + K B ϕ B 2 = K Aϕ A 2 + K B ϕ B 2 = ⎜ K A + K B A 2 2 2 2 2⎜ rB ⎝
(
)
⎞ 2 ⎟ϕ ; ⎟ A ⎠
系统的机械能为
T +U = r 2 1 1⎛ ̇ A2 + ⎜ K A + K B A (m A + m B )rA 2ϕ 4 2⎜ rB 2 ⎝
d (T + U ) = 0 ，进一步得到系 dt
统的运动微分方程； （3） 求解该方程所对应的特征方程的特征根，得到该系统的固有频率。 1.2 叙述用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法和步骤。 用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法有两个：衰减曲线法和共振法。 方法一：衰减曲线法。 求解步骤： （1）利用试验测得单自由度系统的衰减振动曲线，并测得周期和相邻波峰和波谷 的幅值 Ai 、 Ai +1 。 （2）由对数衰减率定义 δ = ln(
结构动力学-第一章
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三. 自由度的确定
广义坐标法：广义坐标个数即为自由度个数； 有限元法：独立结点位移数即为自由度数； 集中质量法：独立质量位移数即为自由度数；
11
l3 3EI
柔度系数
my(t) 3 EI l3y( Nhomakorabea)
P(t)
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柔度法步骤： 1.在质量上沿位移正向加惯性力； 2.求外力和惯性力引起的位移； 3.令该位移等于体系位移。
49
二、刚度法
P(t)
m
1
my(t)
y(t)
l EI
y
k11
k11 y(t )
k11y(t) P(t) my(t)
变分法（Hamilton原理）以及lagrange等。
我们这节课主要介绍达朗泊尔原理建立的动力学微分方程，用能量法建立 微分方程的方法在以后的章节中介绍。
达朗泊尔原理
质点系运动的任意瞬时，除了实际作用于每个质点的主动力和约束反力外， 在加上假象的惯性力，则在该瞬时质点系处于假象的平衡状态。
m P(t) my(t)
结构动力学
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1/
思考问题
1，结构动力学和静力学的区别和联系在哪里？
运动方程为：
m y(t) c y(t) k y(t) p(t)
静力学方程为：
k y p
201所9/9/以16 两者的区别在于：动力学问题多了惯性力项以及由运动产生的阻尼力。 2
结构动力学傅里叶变换
结构动力学傅里叶变换全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：结构动力学是研究结构在受到外力作用时的变形、振动以及稳定性等问题的学科。
而傅里叶变换则是一种重要的数学工具，可用于分析结构的振动响应并识别结构的固有频率及模态形态。
结构动力学与傅里叶变换的结合，不仅可以帮助工程人员更好地理解结构的动态响应特性，还可以指导设计人员优化结构的设计，提高结构的抗震性能和安全性。
一、结构动力学基础结构动力学是一个复杂的领域，需要掌握一定的数学和物理知识。
结构动力学主要涉及结构的振动、变形和稳定性等问题。
结构在受到外力作用时会发生振动，其振动特性取决于结构的固有频率、质量、刚度和阻尼等因素。
结构动力学的研究对象包括建筑、桥梁、船舶、飞机等各种工程结构。
结构动力学的研究方法包括模态分析、频域分析、时域分析和模态综合等。
模态分析是一种常用的方法，通过对结构进行模态分解，可以得到结构的固有频率和模态形态。
频域分析则是利用傅里叶变换将结构的时域响应转换为频域响应，可以进一步分析结构的频域特性。
二、傅里叶变换原理傅里叶变换是一种将时域信号转换为频域信号的数学工具，可以将一个信号分解为不同频率的正弦和余弦波形成的谱。
傅里叶变换在处理各种信号和振动问题中得到广泛应用，而在结构动力学中，傅里叶变换可以用于分析结构的振动响应和识别结构的固有频率及模态形态。
傅里叶变换的基本原理是将时域函数f(t)分解为不同频率的正弦和余弦函数的线性组合，其数学表达式为：F(ω)=∫f(t)e^(-jωt)dtF(ω)为频率为ω的谱，f(t)为时域函数，e^(-jωt)为复指数函数。
三、结构动力学中的傅里叶变换应用结构动力学中常用的傅里叶变换方法包括离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)。
DFT是将一个有限长度的时域信号分解为不同频率的正弦和余弦波的线性组合，而FFT则是一种高效的计算DFT的快速算法，可以在计算上更快速地得到频域响应。
第二篇示例：结构动力学是一个研究结构在受到外部力作用时的振动和变形特性的学科。
结构动力学分析与优化
结构动力学分析与优化结构动力学是工程结构力学中的分支，主要研究结构在受到动力荷载（如振动、地震等）作用下的响应和稳定性，是建筑、桥梁、风力机、船舶等工程结构设计中必不可少的内容。
而结构动力学分析与优化则是在结构设计中不可或缺的一环，通过对结构的动态响应进行分析，达到优化结构设计、提高结构稳定性和抗震性能的目的。
1. 结构动力学分析结构动力学分析是对结构在受到动力荷载下的响应进行分析，包括了自由振动、强迫振动以及响应谱等分析方法。
自由振动是指结构在无外力作用下的振动，通过计算自然振动频率和振动模态，可以得到结构的基本特性。
强迫振动是指在结构受到外部动力荷载作用下的振动，可以通过计算结构的响应来确定结构在荷载作用下的状态和性能。
响应谱分析则是一种综合考虑外部荷载和结构响应的方法，通过计算结构在一定工况下的响应谱，得到结构受到该工况影响下的响应情况。
结构动力学分析的结果可以为结构设计、施工和维护提供重要的参考依据。
通过对结构的响应进行分析，可以确定结构重点部位、改善结构的响应性能、提高结构的稳定性和减小结构的损伤程度，为结构设计的安全、节能、环保提供技术保障。
2. 结构动力学优化结构动力学优化主要是在结构设计过程中，通过对结构响应进行分析，寻找和确定最优化方案，达到优化结构设计、提高结构稳定性和抗震性能的目的。
结构动力学优化主要包括两个方面，一是优化结构设计，二是优化结构的抗震性能。
优化结构设计是指在设计阶段通过对结构响应进行分析，调整结构的空间布置、结构的构型和减少结构的重量，达到最优化的结构设计方案。
在优化结构设计时，需要结合结构的工作环境、载荷条件和工艺要求等因素综合考虑，尽量减少结构的材料消耗，提高结构的力学性能。
同时，在优化结构设计时也需要考虑结构施工的方便性以及之后的日常维护和使用。
优化结构抗震性能是指在设计和施工过程中，通过对结构响应进行分析和改善，提高结构的抗震性能和防震能力。
在考虑结构抗震性能时，需要综合考虑结构的地质条件、工期、设计带来的经济效益、规范要求等因素，对结构进行合理优化设计。
结构动力学分析
(a) (a)
(b) (b)
(c)
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02:25
§14-2 结构振动的自由度
结构力学
分析刚架的振动自由度时，仍可引用受弯直杆任意两点之间的距离保持不变 的假定，即略去杆件的轴向变形。因此，可采用施加刚性链杆法来确定结构的 振动自由度。 刚性链杆法：在结构上施加最少数量的刚性链杆以限制刚架上所 有质点的位置， 则该刚架的自由度数即等于所加链杆数目。
§14-10 计算频率的近似方法
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02:25
§14-1 概述
一、结构动力计算的特点和任务
1. 动力荷载与静力荷载的区别：
结构力学
静力荷载：大小、方向和作用位置不随时间变化，或变 化非常缓慢，不会促使结构产生显著的运动状态的变化，结 构将处于平衡状态。计算平衡状态下结构的内力和变形问题 称为静力计算。
m
k11
yd y
m
F1 ( t )
质点在惯性力F1和恢复力Fc作用下维持平衡，则有：
将F1和Fc的表达式代入 或 令 有
k11 y 0 my k11 y 0 my k11 2 m y 2 y 0
F1 Fc 0
（14-1） （14-2）
单自由度结构自由振动微分方程
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02:25
§14-3 单自由度结构的自由振动
结构力学
（2）柔度法。即列位移方程。当质点m振动时，把惯性力看作静力荷载作用在体 系的质量上，则在其作用下结构在质点处的位移y应当为：
11 y F111 my
即
k11 y 0 my
同刚度法所得方程
结构动力学(无限自由度)
解：边界条件引入振幅曲线
左边： Y 0 0，Y0 0
得： C1 C3 0
振幅曲线简化为
Y x C2 sinh x C4 sin x 右边： Y l 0，Yl 0
C2 sinh l C4 sin l 0 C2 sinh l C4 sin l 0
令系数行列式=0
sinh l sin l
T t 2T t 0
Y IV x 4Y x 0
4 2m
EI
2 EI
m
两个方程的解分别为
T t asint
Y x C1 cosh x C2 sinh x C3 cosx C4 sin x
C1——C4由边界条件确定
则，振动方程的解为
yx，t Y xsint
例 14-5 试求等截面简支梁的自振频率和主振型。
1
Ep 2
EI
n i 1
aii
2
dx
2
2
m
n 1
aii
2
dx
令
kij EIi jdx，mij mi jdx
得
Ep
1 2
n i 1
n j 1
kij 2mij
aia j
应用驻值条件 Ep 0 ai
i 1，2， ，n
得
n
等截面梁弯曲时的静力平衡方程为
EI
d4 y dx4
q
在自由振动时，唯一的荷载就是惯性力，即
q
m
2 t
y
2
因此，等截面梁弯曲时的自由振动方程为
EI
4 y x4
m
2 y t 2
0
用分离变量法求解，令
yx，t Y xT t
代入振动方程，并整理得
结构动力学分析及优化设计
结构动力学分析及优化设计我国迅速发展的创新领域为结构动力学分析的发展提供了持续的支持与推动。
结构动力学分析作为一种重要的研究手段，可以帮助工程师更好地优化设计，提高结构的稳定性与安全性。
本文将介绍结构动力学分析及优化设计的相关知识。
一、什么是结构动力学分析?结构动力学分析是一种涉及结构物的动态反应的研究。
不同于静力学分析，结构动力学使我们能够评估建筑、产品和非建筑结构物的动态反应，以更加准确地预测它们长期以来的稳定性和功能性。
在结构动力学分析中，我们通常需要确定结构物的质量特征/惯性特征、刚度特征、阻尼特征和激励载荷特征，以了解结构物的动态响应。
通过确定这些特征，我们可以将结构物的响应量化，从而为理解结构物的长期性能、稳定性和安全性提供一个准确的图景。
二、结构动力学分析的详细步骤1. 模型准备在进行结构动力学分析之前，我们需要准备结构物的模型。
在模型准备阶段，我们使用先进的三维计算机辅助设计（CAD）软件，比如SolidWorks或AutoCAD 等，来创建结构物的几何模型。
2. 网格划分在完成结构物的几何模型后，我们需要进行网格划分。
该过程涉及将结构物的几何模型转换为有限元模型。
在这个阶段，将流畅的几何形状划分成小体积的网格元素。
3. 载荷定义承受荷载是结构物设计的重要方面，所以我们需要定义载荷。
在结构动力学分析中，载荷可以来自各种因素，包括重力、风、地震、机械振动等。
我们还需要考虑载荷大小，频率和振幅。
4. 材料属性定义材料属性定义是结构动力学分析的另一个重要方面。
我们会向结构物中引入不同的材料，比如混凝土、钢和木材等，为每种材料定义适当的物理和力学特性，以生成材料性能模型。
在材料属性定义的过程中，我们通常需要考虑弹性模量、泊松比和材料密度等。
5. 结构动力学分析仿真计算完成输入数据的定义后，我们可以使用一种交互式分析工具，如ANSYS等，对结构物进行结构动力学分析仿真计算。
这可以帮助我们进一步分析结构物的长期稳定性和性能，来改善结构物的设计。
结构力学课件—结构动力学
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17:04
§14-1 概述
二、动力荷载的分类
1. 周期荷载
结构力学
周期荷载—— 随时间周期地变化的荷载。其中最简单、最重要的是 简谐荷载(按弦或余弦函数规律变化)。 F
r
m
F (t) F t
θ t
o
简谐荷载
l/ 2
l/ 2
非简谐性周期荷载
F (t)
例：打桩时落锤撞击所产生的荷载。
o
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§14-3 单自由度结构的自由振动
结构力学
（2）柔度法。即列位移方程。当质点m振动时，把惯性力看作静力荷载作用在体 系的质量上，则在其作用下结构在质点处的位移y应当为：
y F111 my11
即
my k11 y 0
同刚度法所得方程
此二阶线性常系数齐次微分方程的通解为：
振动微分方程的建立方法：
（1）刚度法。即列动力平衡方程。设质点m在振动的任一时刻位移为y，取质点 m为隔离体，不考虑质点运动时受到的阻力，则作用于质点m上 的力有： (a) 弹簧恢复力
Fc k11 y
(b) 惯性力
该力有将质点拉回静力平衡位置的趋势，负号表示其方 向恒与位移y的方向相反，即永远指向静力平衡位置。
产生自由振动的原因：结构在振动初始时刻受到干扰。 初始干扰的形式: （1）结构具有初始位移 m （2）结构具有初始速度 Δ st 静平衡位置 （3）上述二者同时存在
yd
结构力学
自由振动：结构在振动进程中不受外部干扰力作用的振动形式。
k11
m
FS (t )
yd
W
FI ( t )
1. 不考虑阻尼时的自由振动
结构动力学 -回复
结构动力学
结构动力学是一门研究结构物在受外力作用下的动力响应与结构破坏过程的科学，它利用动力学原理对结构物进行分析和设计，以保证结构的安全性、稳定性和可靠性。
它的研究对象包括建筑物、桥梁、塔架、风力发电机、机械设备等各种结构物。
结构动力学主要研究几个方面：
1.结构物的振动特性：包括自由振动、强迫振动、阻尼振动等；
2.结构物的响应：研究结构物在外力作用下的力学响应，包括加速度、位移、速度等参数；
3.结构物的破坏过程：研究结构物在外力作用下的破坏机制、失效模式和损伤等问题；
4.结构物的动态设计：研究如何设计结构物以满足其动态响应要求，如减震、减振、控制振动等。
结构动力学是建筑工程、土木工程和机械工程等领域都需要掌握的重要学科，它在结构设计、灾害预防和控制、以及动力系统分析与控制等方面都有广泛的应用。
土木工程中的结构动力学分析
土木工程中的结构动力学分析
结构动力学分析是土木工程中一个重要的研究领域，主要用于确定结构在动荷载作用下的反应规律，以便进行合理的动力设计。
结构反应是指结构的位移、速度、加速度、内力等，也称为结构响应。
在结构动力分析中，通常将质量的位移作为求解时的基本未知量，当质量的位移求出后，即可求出其他反应量，如速度、加速度、内力等。
因此，确定体系上有多少独立的质量位移对问题的求解甚为关键，这个问题归结为振动自由度问题。
在振动过程中的任一时刻，确定体系全部质量位置所需的独立参数个数，称为体系的振动自由度。
在结构动力分析中，要确定体系中所有质量的运动规律，需建立质量运动与动荷载及结构基本参数间的关系方程，即运动方程。
结构动力学分析类型包括：模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机振动响应分析、瞬态动力学分析、刚体动力分析、显式动力分析等。
以上信息仅供参考，如有需要，建议咨询专业人士。
10结构动力学概论
当 FP (t)为简谐荷载时，其解的形式为
第十章 结构动力学简介
y(t)
y0
cos ωt
ν0 ω
sin ωt
F
θ sin ωt
F
sin θt
m(ω2 θ 2 ) ω
m(ω2 θ 2 )
前两项为初始条件引起的自由振动;第三项为荷载（干扰力）引起的自由振 动，称为伴生自由振动。实际上，由于阻尼的存在，自由振动部分都很快 衰减掉。自由振动消失前的振动阶段称为过渡阶段。第四项为按荷载频率 进行的振动，此阶段为振动的平稳阶段，称为纯受迫振动或稳态振动。
2、平衡方程的建立
平衡方程的建立有两种方法：一是刚度法；一是柔度法。
my
y k
k
m
刚度法：根据达兰贝尔原理，沿位移正向，在质点上加上惯性力，列动态平 衡方程
ky my
k y ——总是与位移方向相反，指向平衡位置
平m衡y 方—程—与加速m度y方向相k反y 0
第十章 结构动力学简介
柔度法：在惯性力作用下，质点的位移等于实际位移
结构力学
STRUCTURAL MECHANICS
第十章 结构动力学简介
§10-1 概述
一、动力计算的内容
动力计算的内容：研究结构在动荷载作用下的动力反应的计算原理和方法。 涉及到内外两方面的因素： 1）确定动力荷载（外部因素，即干扰力）； 2）确定结构的动力特性（内部因素，如结构的自振频率、周期、振型和 阻尼等等），类似静力学中的I、S等； 计算动位移及其幅值；计算动内力及其幅值。
纯受迫振动解的讨论请同学们课下自学完成！
第十章 结构动力学简介
三、阻尼对振动的影响
§10-3 单自由度体系的振动分析
结构力学应用-结构动力学
（小阻尼） 令
有阻尼的自振频率
1
2
y(t ) e
t
y0 y0 ( y0 cos t sin t )
*写成
y(t ) b e
2 0
t
sin(t )
(14-12)
y0 y0 2 其中 b y ( )
柔度法（力法）
MY KY 0 MY Y 0
10、按柔度法求解
振型方程： ([ ][ 2 [ 1 M ]){Y } 00} ([ I ] M ] ][ [ I ]){Y } { 2 频率（特征）方程
D [ ][ M ] [ I ] 0
y0 tg y0 y0
位移－时间曲线如图示：
阻尼比——阻尼的基本参数： a.阻尼对频率（周期）的影响
k
2m
1 2
T T 1 2 T
0.2
T T
b、阻尼对振幅的影响
be
t
——振幅随时间逐渐衰减
11m1
1
12 m2
(k )
0 0
(14 63)
{Y }
(k )
Y1 Y2
(k )
11m1 k 12 m2
12 m2
k2
（k=1、2）
结构的刚度和质量分布 ——对称 其主振型 ——对称、反对称 计算自振频率： ——分别就正、反对称情况 ——取半跨结构计算 ——两个单自由度问题计算 显然，振型分别为： [1 1]T、[1 -1]T
1
0.2,
yn ln 2 j yn j 相隔j个周期： 1
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结构动力学试题
2016年4月
重庆交通大学结构工程硕士研究生考试
1.试述结构动力问题和静力问题的主要区别（10分）
答：结构静力学相比，动力学的复杂性表现在：
（1）动力问题具有随时间而变化的性质；
（2）数学解答不是单一的数值，而是时间的函数；
（3）惯性力是结构内部弹性力所平衡的全部荷载的一个重要部分；
（4）引入惯性力后涉及到二阶微分方程的求解；
（5）需考虑结构本身的动力特性：刚度分布、质量分布、阻尼特性分布的影响。
2.什么是结构动力系统的阻尼？一般结构系统的阻尼有何特性？在结构分析中
阻尼问题的处理方法有哪些？（20分）
答：（1）结构在震动过程中的能量耗散作用称为阻尼；
（2）阻尼的特性：a、阻尼耗能与质量（反映附属部分大小）和刚度（反映位移大小）有关。
b、难以采用精确的理论分析方法；
（3）对于多自由度体系：在结构动力分析中，通常从系统响应这个角度来考虑阻尼，而且能量的损耗是由外界激励来平衡的。
一个振动系统可能存在多种不同类型的阻尼，一般来说，要用数学的方法来精确描述阻尼目前是比较困难的。
因此，人们根据经验提出了一些简化模型，常用的阻尼模型有黏性阻尼和结构阻尼。
黏性阻尼系统：黏性阻尼的特点是阻尼力和运动速度成真封闭。
在用振型叠加法进行分析时，能否将联立的运动方程化为解耦的一系列单自由度运动方程，将取决于阻尼矩阵的性质，即结构的振型是否关于阻尼阵满足正交条件。
如果满足阻尼阵的正交条件，则采用振型叠加法分析时，就可以把多自由度体系的动力反应问题化为一系列单自由度问题求解；如果不满足阻尼阵的正交条件，则对位移向量用振型展开后，关于振型坐标的运动方程成为耦联的，必须联立求解，与解耦方程相比，增加了难度和计算量。
3.试述多自由度体系振型矩阵关于质量矩阵和刚度矩阵的正交性的意义，并写出广义正交性的表达式且加以证明。
（20分）
答：（1）由振型关于质量、刚度正交性公式可知，i振型上的惯性力在j振型上作的虚功为0。
由此可知，既然每一主振型相应的惯性力在其他主振型上不做功，那么它的振动能量就不会转移到别的主振型上去。
换句话说，当一个体系只按某一主振型振动时，不会激起其他主振型的振动。
这说明各个主振型都能单独出现，彼此线性无关。
这就是振型正交的物理意义。
一是可用于校核振型的正确性；二是在已知振型的条件下，可以通过折算质量与折算刚度计算对应的频率。
而更主要的是任一同阶向量均可用振型的线性组合来表示，在受迫振动分析中，利用振型的正交性，在阻尼矩阵正交的假设下可使运动方程解藕.
（2）振型正交性的证明在Clough书中应用的是Betti互易定理，就像D’Alember 原理一样考虑了惯性力，是运动学中功的互等定理。
实际振型正交性的证明可
以直接从运动方程的特征方程，即从导出自振频率和振型的公式中直接得到。
{}[]{}{}[]{}{}[]{}{}[]{}n T m m n T m n
T m
n n T m M K M K φφωφφφφωφφ22== 两式相减得：
{}[]{}0)(22
=-n T m
n m M φφωω 当n m ωω≠时(即m ≠n)：
{}[]
{}{}[]{}{}[]
{}{}[]
{}n m K M K n m M n T m n T m m n T m n T m ≠==≠=，，002φφφφωφφφφ 对于两个频率m ω和n ω，及其振型[]n φ和[]m φ分别满足：
4.实际结构在振动中的能量损失机理很复杂，建立结构的振动微分方程时阻尼项中的阻尼系数必须要采用实验方法求得，试就你所知，例举3种以上求结构阻尼的实验方法，并说明其原理。
（25分）
答：（1）对数衰减率法
对数衰减率法的理论基础为有阻尼自由振动的解。
即通过对体系衰减曲线的 分析，可以有效的分辨出不同体系的阻尼比。
相邻振动峰值的比为：
()()())12exp()2sin()sin()()(sin )0(0cos 02)(1ξ
πξπϕωϕωωωξωωξωξωξωξω-==+++=+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++=+--+∙-D n D n n T d T t d t D i i i i d d n d t e t Ae t Ae T t u t u u u t u u t u e t u 相邻振动峰值比为)12exp(21ξ
πξ-=+i i u u 对数衰减率n i u u n +=
1ln 1:δδ 阻尼比：1
ln 21+=i i u u n πξ 优点：所需要的一起和设备最少，可以用任何简便的方法来激振，所要测量
的仅为相对的位移幅值。
一般来说，随着自由振动振幅的减小，所得的阻尼
比也越小。
（2）共振放大法 确定粘滞阻尼比的这种方法是基于相对位移反映的稳态振幅测量。
这中反应
是由谐振荷载引起的，荷载幅值、激振频率为包含体系固有频率而跨越较宽 范围的离散值。
对应激振频率标绘出所测振幅。
根据动力放大系数()[]212220)2(1/-++==
ξββρρk D
当发生共振时： ξβ2/1)1(max ==≈D D max 2/1D =ξ
又0max max /ρρ=D max 02/ρρξ≈∴
优点：只需测量离散频率值下动力反应幅值的简单仪器，以及相当简单的动 力荷载装置。
（3）半功率带宽法（半功率点法）
动力放大系数R d 上振幅值等于2/1倍最大振幅的点所对应的两个频率点。
记：a ω和b ω分别等于半功率点对应的两个频率。
则阻尼比可由如下公式计算：
n a b ωωωξ2-=
a b a b ωωωωξ+-=
5.试就目前科技水平的发展，分析结构动力学今后的发展趋势。
（25分）
答：结构动力学，作为一门课程也可称作振动力学，广泛地应用于工程领域的各个学科，诸如航天工程，航空工程，机械工程，能源工程，动力工程，交通工程，土木工程，工程力学等等。
作为固体力学的一门主要分支学科，结构动力学起源于经典牛顿力学，就是牛顿质点力学。
质点力学的基本问题是用牛顿第二定律来建立公式的。
牛顿质点力学，拉格朗日力学和哈密尔顿力学是结构动力学基本理论体系组成的三大支柱。
结构动力学今后的发展趋势：
（1）综合多学科的知识、方法和实验技术来建立系统的动力学方程，然后应用并发展新的动力学理论，对系统进行被动、主动或半主动控制设计，最后在计算机支持的虚拟现实等环境下形成系统设计方案论证和具体设计。
（2）发展随机结构动力学系统的识别与控制理论方法：发展多自由度非线性系统理论；发展线性与非线性系统对非高斯随机激励的响应预测方法；发展线性与非线性系统对非平稳随机激励的响应预测方法；发展随机结构动力学系统的识别与控制理论方法；将该理论应用于物理和生物领域，例如神经动力学
（3）更广泛的运用于对地震作用的分析构成中，更深入的研究非线性系统动力学，例如在非线性动力学中加入活力、分岔、混沌的研究。