振动力学(梁的横向振动).
哈密顿原理推导悬臂梁的横向自由振动微分方程
一、概述悬臂梁是工程中常见的结构，其横向自由振动微分方程的推导是理解结构动力学的重要环节。
哈密顿原理是一个物理学上的基本原理，能够提供系统的最小作用量原理。
本文将利用哈密顿原理来推导悬臂梁的横向自由振动微分方程，旨在深入探讨结构动力学中的基本原理，为工程研究提供理论支持。
二、背景知识1. 悬臂梁悬臂梁是一种常见的结构形式，其特点是其中一端固定，另一端悬挂。
悬臂梁在工程中广泛应用，如桥梁、建筑、机械等领域。
2. 哈密顿原理哈密顿原理是经典力学中的一个基本原理，它描述了系统的最小作用量原理。
哈密顿原理是拉格朗日原理的推广，它通过最小化系统的作用量来描述系统的运动方程。
三、悬臂梁的横向自由振动悬臂梁的横向自由振动是指在无外界力的情况下，悬臂梁自身由于外界扰动而产生的振动。
我们可以利用哈密顿原理来推导悬臂梁的横向自由振动微分方程。
四、哈密顿原理推导1. 系统的广义坐标我们需要确定系统的广义坐标。
悬臂梁的横向自由振动可以使用横向位移作为广义坐标来描述。
假设悬臂梁的长度为L，质量为m，弹性系数为k，则系统的横向位移可以用函数y(x, t)来表示。
2. 系统的作用量系统的作用量S可以表示为积分形式，即S = ∫L dt其中L为拉氏量，表示系统的动能T和势能V的差值。
在悬臂梁的横向自由振动中，系统的动能可以用动能函数T表示，系统的势能可以用势能函数V表示。
则拉氏量可以表示为L = T - V其中动能函数T可以表示为T = ∫0L 1/2 * m * (∂y/∂t)^2 * dx势能函数V可以表示为V = ∫0L 1/2 * k * y^2 * dx3. 哈密顿原理的应用根据哈密顿原理，系统的作用量S在运动的路径上取极值。
我们可以通过变分法来求解作用量S的极值问题。
假设横向位移y(x, t)在固定边界条件下使得作用量S取得极值，则可以得到横向位移函数y(x, t)满足的运动方程。
五、悬臂梁的横向自由振动微分方程通过哈密顿原理的推导，我们可以得到悬臂梁的横向自由振动微分方程。
梁的横向弯曲振动试验原理
梁的横向弯曲振动试验原理
梁的横向弯曲振动试验的原理是:
1. 将梁的两端固定,使其形成简支梁。
2. 在梁的中部施加一个短时的冲击力,使梁产生横向弯曲振动。
3. 根据牛顿第二定律,力的冲击会使梁发生位移和振动。
4. 梁的振动属于强迫谐振,振动周期取决于其本身的质量和刚度分布。
5. 通过测量梁的振动周期,可以计算出其横向振动的固有频率。
6. 调节激励力的参数,可以获得梁在不同激励下的响应规律。
7. 使用传感器测量梁的位移、应变等,结合信号分析,可以确定梁的动态特性和模态参数。
8. 控制梁的边界条件,使其接近理想的简支状态。
9. 进行多次试验取平均,可以提高结果准确性。
10. 试验符合梁横向弯曲振动的工程动力学理论。
通过该试验可以研究梁的动力学行为,获得其横向弯曲振动的动态特性。
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
24
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
7
– 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。
03-3 梁的横向振动
燕山大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering, Yanshan University
★下面着重讨论等截面均质梁弯曲振动的固有频率和固 有振型。 1、简支梁
简支梁的边界条件为
Y 0 0,
d 2Y 0 0, 2 dx
Y L 0,
d 2Y L 0 2 dx
将第一组边界条件代入下式
Y x C1sin x C2cos x C3sh x C4ch x 2 d Y x 2 2 2 2 C sin x C cos x C sh x C ch x 1 2 3 4 2 dx
★取微段dx，如图所示， 用 Q(x,t) 表 示 剪 切 力 ， M(x,t)表示弯矩。
★在铅直 y 方向的运动方 程为
2 y x, t Q x A x dx Q Q dx f x, t dx 2 t x
燕山大学机械工程学院
燕山大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering, Yanshan University
等截面均质梁的固有振动为
y ( x, t ) C1 sin x C2 cos x C3sh x C4 ch x
A sin t B cos t
d2 d 2Y ( x) 2 EJ ( x) ( x) A( x)Y ( x) 0 2 2 dx dx
若单位体积质量(x)==常数，横截面积A(x)=A=常数，横截
面对中心主轴的惯性矩J(x)=J=常数。
4 d 振型方程可以简化为 EJ Y ( x) 2 AY ( x) 0 dx 4 2 d 4Y x 4 A 4 式中 Y x 0 4 dx EJ 该方程为四阶
振动力学—连续系统
弦的横向振动
y(x,t)为弦上坐标为x处的横截面 在t时刻的横向位移l。
取微元，分析受力，如图
杆的纵向振动
假定：细长等截面杆, 振动时横截面仍保持为平面，横截 面上的质点只作沿杆件纵向的振动，横向变形忽略不计。 则同一横截面上各点在x方向作相等的位移。 参数：杆长l，截面积S，材料密度，弹性模量E
EI d 4Y d 2T a 2 , 4 Y IV , 2 T ，则上式为： 令 m dx dt IV T 2 Y a Y T
Y IV T a 2 Y T
2
梁的弯曲振动
方程
T 2T 0
Y
( 4)
2
a
2
Y 0
T Aei (t )
各态遍历过程
相关函数
自相关函数性质
1 偶函数
Rx ( ) Rx ( )
2 周期随机过程的自相关函数仍是周期函数 X (t ) X (t ) Rx ( ) Rx ( T ) 3 4
2 Rx (0) x
2 2 x x Rx ( ) Rx (0)
T(t ) 2T (t ) 0
X ( x)
2
a
2 0
X ( x) 0
杆的纵向振动
解为 时间域，初值问题 空间域，边值问题 固支边条件
T (t ) Aei (t )
X ( x) C1 sin
a0
x C2 cos
a0
x
x=0时，u(0,t)=X(0)· T(x)=0，即X(0)=0 x=l时，u(l,t)=X(0)· T(l)=0，即X(l)=0
x=H(0) f
梁的双向横振动
考虑到边界上变分，
对于 位移边界条件 等于
又对于 力边界条件 是任意的，0同时由于 域内
是任意的
得到梁双向振动微分方程
由于Jyz的存在，导致方程是耦合的
只有各个截面的 主惯性轴 相互平行，选取两个主惯性平面 为xoy 和xoz面，使各截面的Jyz=0，方程解耦。的轴线]和[简化到轴线的外载荷] 在同一个平面, 载荷和梁的主惯性轴一个平面
不在一个平面？？分解到两个主方向上—---------两个平面内
如图所示，以变形前的轴线作为x轴，建立空间坐标系xyz 弹性线上各点的位移将有沿 y ，z 上的两个分量
V=v(x,t) W=w(x,t)
梁上任意一点a的位移，在三个方向上的 分量上分别为
得到a点的轴向应力及应变为 动能和势能的表达式为
Z轴的惯性矩 Y轴惯性矩
关于yz轴的惯 性积
考虑作用在梁上的分布载荷Fy(x，t)和Fz(x，t),以及作用于两 端的弯矩和剪力Qy0, Qz0, My0, 等，得到主动力的虚功为：
将动能 势能 虚功带入变分式
梁横向振动的近似解法
梁横向振动的近似解法弹性体的固有振动有两种提法，一种是微分方程的特征值问题，另一种是泛函的驻值问题。
从精确解得角度看，两者完全等价，从近似解得角度看，求泛函驻值问题比求微分方程的近似解容易。
精确解法主要是分离变量法，此处略去不谈。
一方程的建立假设：梁的各截面中心主惯性轴在同一平面，外载也在同一平面，梁在该平面内的横向振动引起弯曲变形，低频振动时可以忽略剪切变形及截面绕中性轴转动惯量的影响。
∂2∂x 2 EJ ∂2y ∂x 2 +ρA ∂2y ∂t 2=p x,t −∂∂xm x,t (1) p(x,t),m(x,t)分别为单位长度梁上分布的外力和外力矩。
假设：y(x,t)=Y(x)bsin(ωt +ϕ)代入(1)式的齐次形式，有：(EJY ′′)′′−ω2ρAY =0 (2)上式改写成：(EJY ′′i )′′=ω2ρAY i上式两边同时乘以Y i 并在全梁上积分，i ，j 互换得到两个式子并相减等于0可以得到主振型的关于质量和刚度正交性，并且可以得到相应的频率p378。
固有频率的变分式命题：这个式子与边界条件的组合所确定的特征值ω2及相应的特征函数Y(x) 等价于下列泛函所取驻值及相应的自变函数，该自变函数满足位移边界条件P389。
ω2=st EJ(Y ′′)2dx l 0ρAY 2dx l 0 (3)证明：1，(3)式各驻值及相应的函数Y(x)是(2)式的的特征值和特征函数。
驻值时，一阶变分等于0，δ(ω2)=0展开后，得到三个item 相加得0：EJY ′′ ′′−ω2ρAY δYdx − EJY ′′ ′l0δY ︱0l +EJY ′′δY ‘︱0l=0 (∗) 由δY 的任意性，第一个item 等于0，可以得到(2)式，由第二、三项可以得到Y(x)的边界条件。
2，(3)式加(2)式后反过来可以得到δ(ω2)=0。
从而证明泛函的驻值问题与微分方程的特征值问题完全等价。
另外，可以由泛函(3)证明主振型的正交性。
振动力学(梁的横向振动)
火箭的助推梁在发射过程中受到推力的作用会产生横向振动，影响火箭的稳定性和安全性。研究梁的 横向振动有助于优化火箭的结构设计，提高其稳定性和安全性。
06
未来研究方向和展望
理论研究的发展
精确建模
深入研究梁的横向振动特性，建 立更为精确的数学模型，以描述 更为复杂的振动行为。
非线性动力学
研究梁在强振动或接近失稳状态 下的非线性动力学行为，揭示更 为丰富的振动特性。
高层建筑
高层建筑的楼面梁在风、地震等外部激励下会产生横向振动 ，影响楼面设备和人员的安全。研究梁的横向振动有助于优 化高层建筑的结构设计，提高其抗风、抗震性能。
机械系统
机械装备
机械装备中的传动梁、支撑梁等部件在运转过程中会产生横向振动，影响设备的正常运 行和寿命。研究梁的横向振动有助于优化机械设备的结构设计，提高其稳定性和可靠性。
梁的横向振动的重要性
梁的横向振动对结构的稳定性、安全 性和疲劳寿命等都有重要影响，因此 对梁的横向振动的研究具有重要的理 论价值。
随着科学技术的发展，对梁的横向振 动的深入研究可以为新型结构的设计 和优化提供理论支持，促进工程技术 的进步和创新。
02
梁的横向振动的基本理论
线性振动的定义
线性振动
数值模拟与实验验
证
发展更为高效的数值模拟方法， 并加强实验验证，以提高理论模 型的可靠性和实用性。
控制方法的改进
智能控制
利用现代控制理论和方法， 结合智能材料和传感器， 开发更为高效和智能的振 动控制策略。
主动控制
研究和发展更为先进的主 动控制方法，以实现对梁 振动的高效抑制和优化。
混合控制
结合被动控制和主动控制 的优势，开发混合控制策 略，以提高控制效果和降 低能耗。
梁的横振动振动基础复习
梁的横振动方程的解
采用分离变量法最终得到梁横振动的一般解
其中
4 2 S
EI
t , x A cosh x B sinh x C cos x D sin x co t
A、B、C、D由边界条件确定
• •
Prof. Sheng Meiping Northwestern Polytechnical University
边界条件对梁振型的影响
(1) 两端固定的梁
位移为零 x0,xl 0
位移曲线斜率为零
频率方程
x
0
x 0 , x l
cosh l cos l 1
质点振动系统的衰减振动
• 衰减振动方程：
2 d d 2 2 0 0 2 dt dt
• •
Prof. Sheng Meiping Northwestern Polytechnical University
质点振动系统的衰减振动
包络曲线 振动衰减曲线 t
• •
Prof. Sheng Meiping Northwestern Polytechnical University
fn
l
2 l
n 2
2
EI S
Prof. Sheng Meiping Northwestern Polytechnical University
• •
（4）悬臂梁
x0 0
2 x 2
x l
边界条件
x
0
x0
3 0 x 3
0
x l
频率方程 cosh l cos l 1
梁的横向受迫振动
连续系统振动
返回总目录
连续系统振动
1 2 3 4 5 6 7 杆的纵向振动 杆的纵向受迫振动 梁的横向自由振动 梁的横向受迫振动 转动惯量、剪切变形对梁振动的影响 轴向力作用对梁的横向振动的影响 梁横向振动的近似解法
目录
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连续系统振动
1 杆的纵向振动
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1 杆的纵向振动
1.1等直杆的纵向振动 1.2固有频率和主振型 1.3主振型的正交性
1 杆的纵向振动
1.2固有频率和主振型
2u E 2u 1 ( ) 2 q( x, t ) 2 x A t
q( x, t ) 0
得到杆的纵向自由振动微分方程为
2 2u 2 u a 2 t x2
系统是无阻尼的，因此可象解有限多个自由度系统那样 ，假设一个主振动模态即设系统按某一主振型振动时，其 上所有质点都做简谐运动。 可见杆上所有的点将同时经过平衡位置，并同时达到极 限位置。
杆的前三阶主振型表示如图所示。
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1 杆的纵向振动
1.2固有频率和主振型
2. 杆的左端固定，右端自由的情况 边界条件为
U ( x) C cos
px px D sin a a
dU U ( 0) 0 , dx
x l
0
C 0,
p p D cos x 0 a a
p cos l 0 a
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1 杆的纵向振动
1.1等直杆的纵向振动
实际的振动系统，都具有连续分布的质量与弹性，因此， 称之为弹性体系统。 同时符合理想弹性体的基本假设，即均匀、各向同性服从 虎克定律。 由于确定弹性体上无数质点的位置需要无限多个坐标，因 此弹性体是具有无限多自由度的系统，它的振动规律要用时间 和空间坐标的函数来描述，其运动方程是偏微分方程，但是在
梁的横向强迫振动
（6.158）
y( x, t ) w( x) sin t
1 w ( x) w( x) p ( x) EJ
IV 4
（6.159）
4 2 其中 a ，相应于上式的齐次方程通解形如式（6.120），非齐次特解
可用如下方法得到，对上式两边作拉氏变换，得 1
（6.160）
0 j i 0 i j
l
l
（6.130）
将式（6.130）代入（6.129），得
l 2 l 0 i j i 0
EJY "Y " dx AY Y dx
i j
（6.131）
式（6.128）乘以 l
0
EJY "Y " dx AY Y dx
2 j i j 0 j i
Yi ( x) 并沿梁长对x积分，同样可得到
P(t )Y j (1 ) M (t )Y j ' ( 2 )
上式也可以根据将（6.153）、（6.154）代入（6.147）并利用 筛选性质（见（ 1.76））而得出。于是，零初始条件下梁的响应为 t t
( x)
导数的
1 y( x, t ) Y j ( x)Y j (1 ) P( ) sin j (t )d Y j ' ( 2 ) M ( ) sin j (t )d 0 0 j 1 j
2
（6.126）
式（6.127）两边乘以并沿梁长对x积分，有
l 2 0 j i i
(EJYi ")" i AYi 2 (EJYj ")" j AYj
l 0 i j
（6.127）
简支梁固有频率及振型函数
简支梁横向振动的固有频率及振型函数的推导一．等截面细直梁的横向振动取梁未变形是的轴线方向为X 轴（向右为正），取对称面内与x 轴垂直的方向为y 轴（向上为正）。
梁在横向振动时，其挠曲线随时间而变化，可表示为y=y(x,t) (1)除了理想弹性体与微幅振动的假设外，我们还假设梁的长度与截面高度之比是相当大的（大于10）。
故可以采用材料力学中的梁弯曲的简化理论。
根据这一理论，在我们采用的坐标系中，梁挠曲线的微分方程可以表示为：22y EI M x ∂=∂(2) 其中，E 是弹性模量，I 是截面惯性矩，EI 为梁的弯曲刚度，M 代表x 截面处的弯矩。
挂怒弯矩的正负，规定为左截面上顺时针方向为正，右截面逆时针方向为正。
关于剪力Q 的正负，规定为左截面向上为正，右截面向下为正。
至于分布载荷集度q 的正向则规定与y 轴相同。
在这些规定下，有：M QQ q x x ∂∂==∂∂， (3)于是，对方程（2）求偏导，可得：222222(EI )(EI )y M y Q Q q x x x x x x ∂∂∂∂∂∂====∂∂∂∂∂∂， (4)考虑到等截面细直梁的EI 是常量，就有：3434y yEI Q EI q x x ∂∂==∂∂， (5)方程（5）就是在等截面梁在集度为q 的分部李作用下的挠曲微分方程。
应用达朗贝尔原理，在梁上加以分布得惯性力，其集度为22yq t ρ∂=-∂(6)其中ρ代表梁单位长度的质量。
假设阻尼的影响可以忽略不计，那么梁在自由振动中的载荷就仅仅是分布的惯性力。
将式（6）代入（5），即得到等截面梁自由弯曲振动微分方程：4242y yEI x t ρ∂∂=--∂∂ (7)其中2/a EI ρ=。
为求解上述偏微分方程（7），采用分离变量法。
假设方程的解为：y(x,t)=X(x)Y(t)(8)将式（8）代入（7），得：224241Y a d XY t X dx ∂=-∂ (9) 上式左端仅依赖于t,而右端仅依赖于x ，因此要使对于任何x,t 上式均成立，必须二者均等于一个常数。
梁的弯曲振动-振动力学课件
常见的约束状况与边界条件
1. 固定端条件（位移边界） 挠度和转角等于零
y(x,t) 0 y '(x,t) 0
(x) 0
'(x) 0 x 0，l
2. 简支端（铰支）（位移、力混界）
挠度和弯矩等于零
y(x,t) 0 M (x,t) 0
(x) 0
EIy"(x) 0
伯努利－欧拉梁（Bernoulli-Euler Beam）
y x,t 距原点 x处的截面在 t 时刻的横向位移
微段受力分析
FS , M 截面上的剪力和弯矩
l
(
x)
2 t
y
2
微段的惯性力
f x,t 微段所受的外力
l
(
x)
2 t
y
2
动力平衡关系由达朗贝尔原理得
l (x)
2 y t 2
dx
Fs
解：固定端：(0) 0 '(0) 0
自由端： 弯矩为零，剪力与质量惯性力平衡
EI "(l) 0 EIl m02 l
利用相同的方法，得频率方程：
cos lchl 1 l sin lcoshl cos l sinh l
其中： m0 为集中质量与梁质量之比
m m Sl 为梁质量
说明：
以上分析中没有考虑剪切变形和截面转动惯量的影响， 因此以上有关梁的分析只适用于细长梁（梁的长度大于梁 高度5倍以上） 若梁为非细长梁，必须考虑剪切变形和截面转动惯量的影响
Fs
Fs x
dx
f
( x, t )dx
l
(
x)
2 t
y
2
Fs x
f (x,t)
简支梁横向振动的求解
1 1/ 2 1/ 6 1 1 1/ 2 0 1 1 0 0 1
P 2 F 2 P 1 F 1
两支座之间的状态关系 那么两支间传递矩阵为
X 3L S S S S S X 0R
S S S S S S
F 3
P 2
F 2
P 1
F 1
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传递矩阵法求固有频率
则点传递矩阵和场传递矩阵转到无量纲域？
xy 将
M
Fs 代入到点与场矩阵中
T
有
1 0 0 0 0 1 0 0 S ip 0 0 1 0 0 0 1
1 0 SiF 0 0
F 3
12 14 0 则必须满足 32 34
化解上式得
5 2 96可解出 0 108
可得固有频率
ml 3 2 又因为 EI
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为何分段越多越精确呢？
首先推广至n段的传递矩阵，当分为n段时，就有n-1 个集中质量在梁上，此时的传递矩阵应该是
12 0 14 Fs 0 0 32 0 34 Fs 0 0
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传递矩阵法求固有频率
要使方程
12 0 14 Fs 0 0 有非零解 32 0 34 Fs 0 0
2
2
EI EI = S Sl 4
梁的横向振动
弹性载荷：
2u u M EI kt 2 x x
3u V EI 3 ku x 惯性载荷：
2u M EI 2 0 x
u u V EI 3 m 2 x x
3 2
在考虑梁的剪切变形和转动惯量时，微元dx 的受力分析系如下：
u （1） x
梁的横向振动
主讲人 ：王高爽 小组成员：王高爽、王宇谦 冯丹、徐笑寒 指导老师：李伟
1、梁横向振动的微分方程的建立 2、变量分离求解微分方程 3、边界讨论 4、运动方程的推到
如下图所示，梁在xy平面内横向振动，假设变形 u的函数u=u(x,t),则在任意的t时刻，梁的振动 状态如图所示，取微元dx作为研究对象。
Thanks.
两边求全微分： u u dx dt Y (t ) X ' ( x)dx Y ' (t ) X ( x)dt x t
u Y (t ) X ' ( x) x
u Y ' (t ) X ( x) t
u u ， x t
仍是关于x,t的函数，仍然采用全微分得：
1 d 2Y a2 d 4 X 2 Y dt X dx4
按受力情况，微元沿着y方向运动方程，有牛顿定理：
由
2u v Fy O m 2 dx V (V dx) t x
由简单梁理论，忽略转动惯量的影响，各个力在 对dx右侧取矩： M M O M dx M Vdx 0 R x
即
M V x
由材料力学：
（1）
令（1）=P2得： d 2Y 2 p Y 0 2 dt
d4X p 4 4 X 0, 4 dx a
Y (t ) A sin pt B cos pt
连续系统振动(b)-梁的弯曲振动
m( x, t )
x
讨论梁的自由振动
2 x2
[EI
2
y(x, x2
t)
]
S
2
y( x, t ) t 2
0
根据对杆纵向振动的分析，梁的主振动可假设为：
y(x,t) (x)q(t) (x)a sin( t )
代入自由振动方程： (EI) 2S 0
f (x,t)
m( x, t )
x
等截面梁的动力学方程：
EI
4y x4
S
2y t 2
f (x,t)
m(x,t) x
5
连续系统的振动 / 梁的弯曲振动
固有频率和模态函数
变截面梁：
2 x2 [EI
2
y(x, x2
t
)
]
S
2 y(x,t) t 2
f (x,t)
7
连续系统的振动 / 梁的弯曲振动
常见的约束状况与边界条件
（1）固定端
y(x,t) 0
(x) 0 （2）简支端
y(x,t) 0
(x) 0
挠度和截面转角为零
y(x,t) 0 x
(x) 0
x0 或 l
挠度和弯矩为零
M EI 2 y(x,t) 0 x 0 或 l x2
《振动力学》
3
连续系统的振动 / 梁的弯曲振动
力平衡方程 ：
Sdx
2 y t 2
(Fs
Fs x
dx)
Fs
f
( x, t )dx
0
结构动力学(3)-第二章(基本构件的振动分析)
0
t
A
w 0 |t0 t
0
L
w |t0 dt 0
求解方法： 非齐次方程的解=齐次方程的解+特解 （动响应） （固有振动）
弦的横向振动的求解
2w 2w 固有振动： Tx 2 2 A 0 （典型的波动方程） x t
１）分离变量法
w( x, t ) X ( x)T (t )
（向后行进）
（向前行进）
固有振型的加权正交性
X n (x)
n
nX Βιβλιοθήκη (x)jj应满足的方程为
X 2 X 0
L
0
X j [ X n n X n ]dx 0
2
L
0
X n [ X j j X j ]dx 0
2
L L L
分部积分
L
0
X j X ndx X j X n | X j X n dx X j X n dx
n c n 固有频率为： n L L
EA A
nx U (n 1,2 , ) 固有振型： n ( x) sin L
例2：左端固定，右端自由并集中作用力，突然撤去 c2 0
c1
c
cos
L
c
0
L
c
n 2
(n 1,3,, )
固有频率为： n
H (T U We )dt
0 t t 0
L
0
( A
t ~ w w w w L Tx fw)dxdt Qw |0 dt 0 t t x x
t
振动力学(梁的横向振动)
取微段梁dx，截面上的弯矩与剪力为M和Q，其正负号的规定和材料力学一样。 则微段梁dx沿z方向的运动方程为：
即
利用材料力学中的关系 得到梁的弯曲振动方程
边界条件
和一维波动方程一样，要使弯曲振动微分方程成为定解问题，必需给出边界条件和初始条件。 梁的每一端必须给出两个边界条件(以左端为例)。 固定端：挠度和转角为0，即
振动力学
------弹性体的振动
汇报人姓名
汇报日期
梁的横向振动
仅讨论梁在主平面内的平面弯曲振动。这种振动只有当梁存在主平面的情形才能发生，并符合材料力学中梁弯曲的小变形假设和平面假设。
1、运动微分方程
在梁的主平面上取坐标xoz，原点位于梁的左端截面的形心，x轴与梁平衡时的轴线重合。假设梁在振动过程中，轴线上任一点的位移u(x,t)均沿z轴方向。
考虑边界条件为简支、自由、固定的情况，梁端点的位移、弯矩或剪力为0，则
01
单击此处添加小标题
对第j阶振型进行上面类似的运算得：
02
用Fj左乘上式两端，并积分
上两式相减得
则
i＝j时
梁在激励力作用下的响应
1.标准坐标（正则坐标）
对振型函数按下式条件正则化 和一维波动方程一样，用振型叠加法求响应
2.对初始激励的响应
以及
解：边界条件为挠度和弯矩为0。 【例1】 求简支梁弯曲振动的固有频率与固有振型。 代入特征方程的解
得到
以及
则
则
以及频率方程
由此解得
所以固有频率
振型为 第i阶振型有i－1个节点。节点坐标 即
【例2】求两端固定梁弯曲振动的固有频率与固有振型。
01
以及
02
解：边界条件为挠度和转角为0，即 代入特征方程的解得到
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由此解得
弹性体的振动
所以固有频率
EI , (i 1, 2) A 振型为 i (i ) Φ ( x) C sin i x C sin x l 第 i 阶振型有 i － 1
1
2
2 2 i 2 i i a 2 l
个节点。节点坐标
l2
EI A
i xk k l
其它边界条件用类似的方法给出。
弹性体的振动
2、梁弯曲自由振动的解
令振动方程中的干扰力为0，得到
2 x2
4
2u 2u EI x2 A t 2
2
对于均匀梁，振动方程为
u u a 2 0 4 x t
2
其中EI a A源自弹性体的振动假定有分离变量形式的解存在，令
0
x 0
d 2Φ Φ(l ) 0, 2 dx
0
x l
代入特征方程的解
( x) C1 sin x C2 cos x C3 sh x C4 ch x
以及
Φ( x) C1 2 sin x C2 2 cos x C3 2 sh x C4 2 ch x
弹性体的振动
则有
d q(t ) 2 q(t ) 0 2 dt
2
d Φ ( x) 4 Φ( x) （称为特征方程） 4 dx
其中
4
4
2
a
2
弹性体的振动
方程的通解为
Φ( x) C1 sin x C2 cos x C3 sh x C4 ch x
动过程中，轴线上任一点的位移u(x,t)均沿z轴方向。
弹性体的振动
取微段梁dx，截 面上的弯矩与剪力为 M 和 Q ，其正负号的 规定和材料力学一样。
则微段梁dx沿z方向的运动方程为：
2 Q u Q Q dx fdx Adx 2 x t
弹性体的振动
弹性体的振动
振动力学
------弹性体的振动
弹性体的振动
梁的横向振动
仅讨论梁在主平面内的平面弯曲振动。这种振
动只有当梁存在主平面的情形才能发生，并符合材 料力学中梁弯曲的小变形假设和平面假设。
弹性体的振动
1、运动微分方程
在梁的主平面上取坐标 xoz，原点位于梁的左端截 面的形心， x轴与梁平衡时的轴线重合。假设梁在振
即
Q u A 2 f x t
2
利用材料力学中的关系
M Q x
2u M EI 2 x
得到梁的弯曲振动方程
2 2 u u EI 2 A 2 f 2 x x t 2
弹性体的振动
边界条件
和一维波动方程一样，要使弯曲振动微分方程 成为定解问题，必需给出边界条件和初始条件。 梁的每一端必须给出两个边界条件(以左端为例)。 （1）固定端：挠度和转角为0，即
sin l sh l C1 sin x C1 cos x ch l cos l sin l sinh l C1 sh x C1 ch x ch l cos l
sin l sh l C sin x sh x (cos x ch x) ch l cos l
弹性体的振动
得到 则
C2 C4 0, C2 C4 0
2 (C2 C4 ) 0
以及
C1 sin l C3 sh l 0
C1 2 sin l C3 2 sh l 0
则 以及频率方程
C3 0
sin l 0
i i , (i 1, 2) l
u( x, t ) u(0, t ) 0, 0 x x 0
弹性体的振动
（2）简支端：挠度和弯矩为0，即
u( x, t ) u(0, t ) 0, EI 0 2 x x 0
2
（3）自由端：弯矩和剪力为0，即
2 u ( x, t ) 2 u ( x, t ) EI 0, EI 0 2 2 x x x x 0 x 0
C2 C4 0,
以及
(C1 C3 ) 0
C1 sin l C2 cos l C3 sh l C4 ch l 0 C1 cos l C2 sin l C4 sh l C3 ch l 0
弹性体的振动
求得
C3 C1
u ( x, t ) Φ( x)q(t )
代入方程得到
a x2
2 2
d Φ( x) d q(t ) q(t ) dx2 Φ( x) dt 2
2 2
写为
2 d 2Φ( x) d 2 q(t ) 2 2 2 x dx 2 dt a 2 Φ ( x) q(t )
q(t ) C5 sin t C6 cos t
由特征方程，利用边界条件即可求出振型函数
F(x)和频率方程，进一步确定系统的固有频率 wi。用 四个边界条件只能确定四个积分常数之间的比值。
弹性体的振动
【例1】 求简支梁弯曲振动的固有频率与固有振型。 解：边界条件为挠度和弯矩为0。
d 2Φ Φ(0) 0, 2 dx
即
4 2 2 2 l
EI A
kl xk , i (k 1, 2 i 1)
9 2 3 2 l
EI A
弹性体的振动
【例 2】求两端固定梁弯曲振动的固有频率与固有振型。 解：边界条件为挠度和转角为0，即
Φ(0) 0, Φ(0) 0
代入特征方程的解得到
Φ(l ) 0, Φ(l ) 0
sin l sh l C2 C4 C1 ch l c o s l
化简后得到频率方程
cos l ch l 1
求出后得到固有频率
i a
2 i
2 i
EI , (i 1, 2) A
弹性体的振动
振型为
Φ( x) C1 sin x C2 cos x C3 sh x C4 ch x