第6章--Matlab应用之动力学与振动ppt课件.ppt
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1、“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。F教学目标教学目标介绍介绍Matlab在动力学与振动中的应用,分别用在动力学与振动中的应用,分别用于轨迹,单自由度和多自由度线性与非线性系于轨迹,单自由度和多自由度线性与非线性系统的自由振动和强迫振动的分析。统的自由振动和强迫振动的分析。F学习要求学习要求 能够运用
2、能够运用Matlab基本原理,对物体的运动轨迹和基本原理,对物体的运动轨迹和单自由度系统进行简单的动力学分析。单自由度系统进行简单的动力学分析。3“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。目录目录6.1 轨迹轨迹6.2 单自由度系统单自由度系统6.3 多自由度系统多自由度系统习题习题4“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.1 轨迹轨迹举例说明
3、举例说明:重力场中有两个物体重力场中有两个物体,其中质量为其中质量为m2的物体固定的物体固定,而而质量为质量为m1的物体绕的物体绕m2做平面圆周运动做平面圆周运动.做圆周运动的做圆周运动的m1物体物体的轨道半径用变量的轨道半径用变量r表示表示,角度用变量角度用变量a表示表示.m2m1ar5“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.1 轨迹轨迹例例6.1:卫星绕地球转动时,:卫星绕地球转动时,m2等于地球的质量,等于地球的质量,m1等于卫等于卫星的质量,星的质量,r为卫
4、星球心与地球球心间的距离。其运动轨迹由为卫星球心与地球球心间的距离。其运动轨迹由下列方程组决定:下列方程组决定:0242222222ddaddrdadrrddardrd式中:式中: ,其中,其中t是时间变量,是时间变量,p为物体在地球表面做为物体在地球表面做圆周运动的周期。在地球表面,圆周运动的周期。在地球表面,r=6.373x106 m。pt /6“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.1 轨迹轨迹用龙格用龙格库塔法可以实现求解:库塔法可以实现求解:引入新状态变量
5、:引入新状态变量:ddaxaxddrxrx432114244321224122124xxxddxxddxxxxddxxddx0242222222ddaddrdadrrddardrd7“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。建立函数文件建立函数文件Orbit.mfunction xd=Orbit(t,x)xd=x(2)x(1)*x(4)2-4.0*pi2/x(1)2 x(4)-2.0*x(2)*x(4)/x(1);14244321224122124xxxddxxddxxx
6、xddxxddx6.1 轨迹轨迹组组X1初始初始X2初始初始X3初始初始X4初始初始轨迹类型轨迹类型12001.5椭圆椭圆21002pi圆圆32004双曲线双曲线三组初始条件三组初始条件(t=0):8“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。由初始条件建立执行文件由初始条件建立执行文件execute_61.minitcond=2 0 0 1.5;1 0 0 2*pi;2 0 0 4;tspan=linspace(0,5,1000);options=odeset(RelTo
7、l,1e-6,AbsTol,1e-6 1e-6 1e-6 1e-6);lintype=k- b-. r-;for i=1:3 t,x=ode45(Orbit,tspan,initcond(i,:),options); polar(x(:,3),x(:,1),lintype(2*(i-1)+1:2*i); hold onendtext(0.5,-1.2,椭圆轨迹椭圆轨迹);text(-1.2,1,圆轨迹圆轨迹);text(1.75,2,双曲线轨迹双曲线轨迹);6.1 轨迹轨迹常微分方程的常微分方程的数值求解函数数值求解函数9“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综
8、治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。程序运行结果程序运行结果6.1 轨迹轨迹10“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统6.2.1 概述概述一一.力学模型力学模型mcK,aX(t)F(t)=X(0)kf(t)弹簧弹簧质量质量阻尼系统阻尼系统其中:振体质量为其中:振体质量为m,弹簧的线性系数为,弹簧的线性系数为k,非线性系数为,非线性系数为a,阻尼系数为阻尼系数为c,外力,外力F(t
9、)。)。11“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统二二. 运动微分方程运动微分方程)(20322fXxxddxdxd用用x表示系统的位移,则运动微分方程为:表示系统的位移,则运动微分方程为:式中:式中:tn固有频率固有频率:非线性系数非线性系数:阻尼因子阻尼因子:mkn2nmanmc212“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性
10、治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统引入新变量转化状态空间方程形式:引入新变量转化状态空间方程形式:ddxxxx21)(20322fXxxddxdxd)(203112221 fXxxxddxxddx13“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统6.2.2 线性系统的自由振动线性系统的自由振动一一.运动微分方程运动微分方程当当 时,得到线性振动系统的自由振动方程。时,得到线性振动系统的自由振动方程。0)(, 0F0222xddxd
11、xd 14“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统二二.MATLAB求解求解编写方程对应的函数文件编写方程对应的函数文件FreeOscillation.m)(203112221 fXxxxddxxddx0三种阻尼系数三种阻尼系数( )(1)阻尼系数为)阻尼系数为0.1时是欠阻尼情况(时是欠阻尼情况(2)阻尼系数为阻尼系数为1时是临界阻尼情况(时是临界阻尼情况(3)阻尼系数为)阻尼系数为5时是过阻尼时是过阻尼情况情况function xdo
12、t=FreeOscillation(t,x,zeta,Alpha)xdot=x(2);-2.0*zeta*x(2)-x(1)-Alpha*x(1)3; end15“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统 由初始条件(位移和速度均为由初始条件(位移和速度均为1时时, )建立执行)建立执行文件文件(execute_62.m)zeta=0.1 1.0 5.0; Alpha=0.0,0.0,0.0;tspan=linspace(0,40,400)
13、; %生成生成0-40的四百个线性点的四百个线性点lintype=char(-k,-k,-.k);for i=1:3 t,x=ode45(FreeOscillation,tspan,1 1,zeta(i),Alpha(i); figure(1); plot(t,x(:,1), lintype(i,:); % x(:,1)为位移为位移 hold on figure(2); plot(x(:,1),x(:,2),lintype(i,:); % x(:,2)为速度为速度 hold onend 040ddxxxx2116“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为
14、支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统figure(1);xlabel(Time( tau);ylabel(Displacement x( tau);title(Displacement as a function of( tau);axis(0 40 -1.5 1.5);plot(0,40,0,0, k-)legend(zeta=0.1, zeta=1.0, zeta=5.0)figure(2);xlabel(Displacement x(tau);ylabel(Velocity);title(Phase port
15、rait);axis(-2.0 2.0 -2.0 2.0);legend(zeta=0.1, zeta=1.0, zeta=5.0);续上:续上:17“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统程序运行结果程序运行结果18“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统6.2.3 非线性系统的自
16、由振动非线性系统的自由振动1 1、运动微分方程、运动微分方程23220d xdxxxdd一一. .非线性弹簧系统非线性弹簧系统19“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统2、Matlab求解求解编写常微分方程对应的函数文件编写常微分方程对应的函数文件FreeOscillation.mfunction xdot=FreeOscillation(t,x,zeta,Alpha)xdot=x(2);-2.0*zeta*x(2)-x(1)-Alph
17、a*x(1)3; end23220d xdxxxdd与例与例6.2相同,只是相同,只是改变了改变了Alpha的值,的值,可以直接借用例可以直接借用例6.2的函数文件的函数文件20“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6.2 单自由度系统单自由度系统 由初始条件建立执行文件由初始条件建立执行文件(execute_63.m)程序如下程序如下zeta=0.2;Alpha=0.00,-0.25,-0.25;x0=-2.00,-2.00,-2.00;v0=2.00,2.00,2
18、.31;tspan=linspace(0.0,30.0,401);lintyp=char(-k,-k,-.k);options=odeset(RelTol,1e-8,AbsTol,1e-8 1e-8);d=char(Linear:x_0=-2 v_0=2 alpha=0,. Nonlinear:x_0=-2 v_0=2 alpha=-0.25,. Nonlinear:x_0=-2 v_0=2.31 alpha=-0.25);21“雪亮工程是以区(县)、乡(镇)、村(社区)三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。6
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