结构的动力计算 (2)精选PPT.ppt
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1、结构的动力计算第1页,此课件共75页哦14-1 14-1 概述概述一、结构动力计算的特点一、结构动力计算的特点(2)研究单自由度及多自由度的自由振动、强迫振动。)研究单自由度及多自由度的自由振动、强迫振动。1、内容:、内容:(1)研究动力荷载作用下,结构的内力、位移等计算原理和计算方法。)研究动力荷载作用下,结构的内力、位移等计算原理和计算方法。求出它们的最大值并作为结构设计的依据。求出它们的最大值并作为结构设计的依据。2、静荷载和动荷载、静荷载和动荷载(1)静荷载:荷载的大小和方向不随时间变化(如梁板)静荷载:荷载的大小和方向不随时间变化(如梁板自重)。自重)。(2)动荷载:荷载的大小和方向
2、随时间变化,需要考虑)动荷载:荷载的大小和方向随时间变化,需要考虑惯性力(惯性力(与影响线不同与影响线不同)。)。第2页,此课件共75页哦 3、特点、特点 (2)内力与荷载不能构成静平衡。必须考据惯性力。依达朗内力与荷载不能构成静平衡。必须考据惯性力。依达朗伯原理,加惯性力后,将动力问题转化为静力问题。伯原理,加惯性力后,将动力问题转化为静力问题。(1)必须考虑惯性力。必须考虑惯性力。(3)分析自由振动即求自振频率、振型、阻尼参数等是求强迫振动动分析自由振动即求自振频率、振型、阻尼参数等是求强迫振动动力反应的前提和准备。力反应的前提和准备。(4)学习循序渐进:学习循序渐进:第3页,此课件共75
3、页哦二、动力荷载的种类二、动力荷载的种类 P(t)toP(t)=psint 1、简谐周期荷载:、简谐周期荷载:荷载按正弦余弦规律变化(偏心转子对荷载按正弦余弦规律变化(偏心转子对结构的冲击)。结构的冲击)。2、冲击荷载:、冲击荷载:荷载在短时间内急剧增加或减少(锻锤对基荷载在短时间内急剧增加或减少(锻锤对基础的冲击、爆炸等)。础的冲击、爆炸等)。P(t)totdP(t)totd第4页,此课件共75页哦3、脉动风压、脉动风压4、地震荷载、地震荷载第5页,此课件共75页哦 1、基本未知量:、基本未知量:以质点位移作为基本未知量。结构以质点位移作为基本未知量。结构上全部质点有几个独立的位移,就有几个
4、独立的未知量。上全部质点有几个独立的位移,就有几个独立的未知量。2、自由度:、自由度:结构运动时,确定全部质点位置所需结构运动时,确定全部质点位置所需要的独立几何参变量的数目(要的独立几何参变量的数目(与几何组成自由度不同与几何组成自由度不同)。14-2 14-2 振动体系的自由度振动体系的自由度 第6页,此课件共75页哦(2)与几何组成分析中的自由度不同。)与几何组成分析中的自由度不同。对梁和刚架对梁和刚架 (1)略去轴向变形)略去轴向变形 (2)略去惯性力矩)略去惯性力矩 只有一个自由度只有一个自由度M=ml分布质量,有无限自由度分布质量,有无限自由度ml 3、有关自由度的几点说明:、有关
5、自由度的几点说明:(1)基本未知量数目与自由度数目是一致的。前者强调独立)基本未知量数目与自由度数目是一致的。前者强调独立位移数目,后者强调独立坐标数目。位移数目,后者强调独立坐标数目。(3)一般采用)一般采用“集中质量法集中质量法”,将连续分布的质量集中为几个质点研,将连续分布的质量集中为几个质点研究。究。第7页,此课件共75页哦第8页,此课件共75页哦 (4)并非一个质量集中点一个自由度(分析下例)。)并非一个质量集中点一个自由度(分析下例)。(5)结构的自由度与是否超静定无关。)结构的自由度与是否超静定无关。2个自由度个自由度2个自由度个自由度4个自由度个自由度静定结构静定结构6次超静定
6、结构次超静定结构3次超静定结构次超静定结构第9页,此课件共75页哦 体系振动的衰减现象,阻尼力体系振动的衰减现象,阻尼力 (6)可用加链杆的方法确定自由度。)可用加链杆的方法确定自由度。1、自由振动的衰减:、自由振动的衰减:结构在自由振动时的结构在自由振动时的 振幅随时间逐振幅随时间逐渐减小渐减小,直至振幅为零、震动停止的现象。,直至振幅为零、震动停止的现象。第10页,此课件共75页哦2、引起振幅衰减是因能量损耗,其主要原因有:、引起振幅衰减是因能量损耗,其主要原因有:(2)周围介质对振动的阻力。)周围介质对振动的阻力。(1)结构材料的内摩擦阻力。)结构材料的内摩擦阻力。(4)地基土等的摩擦阻
7、力。)地基土等的摩擦阻力。(5)建筑物基础振动引起土体振动,振波传播,)建筑物基础振动引起土体振动,振波传播,能量扩散。能量扩散。(3)支座、结点等构件联结处的摩擦力。)支座、结点等构件联结处的摩擦力。第11页,此课件共75页哦 4、粘滞阻尼理论(伏伊特理论):、粘滞阻尼理论(伏伊特理论):阻尼力与体系振动的变形速度成正比,方向与速度方向相反。阻尼力与体系振动的变形速度成正比,方向与速度方向相反。3、阻尼:、阻尼:使能量耗散的因素,统称为阻尼。使能量耗散的因素,统称为阻尼。(为阻尼系数)为阻尼系数)第12页,此课件共75页哦14-3 单自由度结构的自由振动单自由度结构的自由振动 结构在没有动荷
8、载作用时的振动,称为结构在没有动荷载作用时的振动,称为自由振动自由振动。解决:建立解决:建立振动方程,计算振幅、初相角、振动方程,计算振幅、初相角、频率、周期频率、周期 产生原因产生原因:外界的干扰(初速度:外界的干扰(初速度 ,初位移,初位移 )第13页,此课件共75页哦 动力计算与静力计算的区别动力计算与静力计算的区别:达朗伯原理达朗伯原理:动力计算可化为静力平衡问题来处理。动力计算可化为静力平衡问题来处理。这是一种形式上的平衡,是一种这是一种形式上的平衡,是一种动平衡动平衡,是在引进惯性力,是在引进惯性力的条件下的平衡。的条件下的平衡。注意两个特点:注意两个特点:(1 1)力系中包括惯性
9、力;)力系中包括惯性力;(2 2)瞬间的平衡,荷载、位移、内力等都是时间的函数。)瞬间的平衡,荷载、位移、内力等都是时间的函数。第14页,此课件共75页哦3.3.单自由度体系运动方程的建立单自由度体系运动方程的建立 研究质点的动平衡,共作用研究质点的动平衡,共作用3个力:个力:达朗伯原理是建立运动方程所依据的基本原理。达朗伯原理是建立运动方程所依据的基本原理。列动力平衡方程列动力平衡方程动平衡方程:动平衡方程:mm第15页,此课件共75页哦1)无阻尼自由振动无阻尼自由振动运动方程及其解的形式运动方程及其解的形式令令则则通解通解:则则tc2c y令令cc2c1特点:特点:(1)无能量耗散无能量耗
10、散,振动一经开始永不休止:振动一经开始永不休止:第16页,此课件共75页哦几个术语几个术语(1)周期:振动一次所需的时间。)周期:振动一次所需的时间。(2)工程频率:)工程频率:单位时间内的振动次数(与周期互为倒数)。单位时间内的振动次数(与周期互为倒数)。(3)频率(圆频率):)频率(圆频率):旋转向量的角速度,即体系在旋转向量的角速度,即体系在2秒内的振动次数。秒内的振动次数。自由振动时的圆频率称为自由振动时的圆频率称为“自振频率自振频率”。第17页,此课件共75页哦4、微分方程中各常数由初始条件确定、微分方程中各常数由初始条件确定 代入:代入:将将时时得:得:可得:可得:第18页,此课件
11、共75页哦进一步可确定式进一步可确定式中的中的c和和cc2c1第19页,此课件共75页哦频率定义:频率定义:频率:频率:周期:周期:自振频率是体系本身的固有属性,与体系的刚自振频率是体系本身的固有属性,与体系的刚度、质量有关,与激发振动的外部因素无关。度、质量有关,与激发振动的外部因素无关。第20页,此课件共75页哦二、有阻尼的自由振动二、有阻尼的自由振动 1、振动方程及其解、振动方程及其解则则特征方程特征方程特征根特征根(二阶线性常系数齐次微分方程二阶线性常系数齐次微分方程)特征根特征根第21页,此课件共75页哦特征根特征根(1)k,小阻尼情况,小阻尼情况(一对共轭复根)(一对共轭复根)第2
12、2页,此课件共75页哦yt2振幅:振幅:P81 式式14-12混凝土结构混凝土结构钢结构钢结构按按e-kt规律衰减,规律衰减,k称为称为衰减系数衰减系数。圆频率圆频率阻尼比阻尼比第23页,此课件共75页哦特征根特征根(2)k,大阻尼情况,大阻尼情况(两个不等的负实根)(两个不等的负实根)通解通解 结论:上式中结论:上式中不含简谐振动因子,阻尼使能量耗尽,不含简谐振动因子,阻尼使能量耗尽,故不会产生振动。故不会产生振动。第24页,此课件共75页哦yyttoo特征根特征根(3)k=,临界阻尼情况,临界阻尼情况(两个相同的实根)(两个相同的实根)结论:由振动过渡到非振动的临界状态。结论:由振动过渡到
13、非振动的临界状态。通解通解 大阻尼情况下的振动曲线:大阻尼情况下的振动曲线:第25页,此课件共75页哦14-1 单自由度结构在简谐荷载作用下的强迫振动单自由度结构在简谐荷载作用下的强迫振动则:则:通解包括两部分:通解包括两部分:m动平衡方程:动平衡方程:(二阶常系数线性二阶常系数线性非齐次非齐次微分方程微分方程)第26页,此课件共75页哦1、求齐次解:、求齐次解:特征方程:特征方程:特征根:特征根:2、求特解(待定系数法):、求特解(待定系数法):设:设:将上式代入原方程后,可确定将上式代入原方程后,可确定D1、D2:第27页,此课件共75页哦进一步,可得:进一步,可得:特解的另一形式特解的另
14、一形式:将各量代入后,可求出特解:将各量代入后,可求出特解:通解:通解:第28页,此课件共75页哦利用利用 可确定可确定C1、C2,于是:,于是:P94(14-21)两式含有因子两式含有因子 ,很快衰减很快衰减,最后只剩按最后只剩按振振包括包括动动的纯强迫振动的纯强迫振动;取决于初始条件的取决于初始条件的自由振动自由振动取决于干扰力的取决于干扰力的伴生自由振动伴生自由振动按荷载频率按荷载频率的的纯强迫振动纯强迫振动 同时存在的阶段称为同时存在的阶段称为过渡阶段过渡阶段,仅剩仅剩的阶段称为的阶段称为平稳阶段平稳阶段,后者更重要后者更重要,只讨只讨论论平稳阶段平稳阶段第29页,此课件共75页哦 1
15、、不计阻尼的纯强迫振动、不计阻尼的纯强迫振动(=0)振幅振幅Ak11=1/11 第30页,此课件共75页哦 2.考虑阻尼的纯受迫振动考虑阻尼的纯受迫振动同理可得同理可得,动力系数动力系数:第31页,此课件共75页哦 /1,1,P(t)可视为静荷可视为静荷载载;特点特点:越大越大,曲线越平缓曲线越平缓,特别是特别是在在/=1附近附近,峰值下降最显著峰值下降最显著;/1(0.75/1时时,0,与阻尼无关,与阻尼无关,荷载变化很快,结构来不及反应荷载变化很快,结构来不及反应,不动或只做微小颤动。不动或只做微小颤动。共振区共振区 设计时应避免共振。由于阻尼,振幅不设计时应避免共振。由于阻尼,振幅不会无
16、限大。会无限大。第32页,此课件共75页哦受迫振动实验演示受迫振动实验演示共振视频:塔科玛大桥的震荡和坍塌共振视频:塔科玛大桥的震荡和坍塌第33页,此课件共75页哦 P89例例14-2 重量G=35kN的发电机置于简支梁的中点上,E=210GPa,发电机转动时其,且F=10kN。若不考虑阻尼,试求并知梁的惯性矩离心力的垂直分量为当发电机每分钟的转数为n=500r/min时,梁的最大弯矩和挠度(梁的自重可略去不计)。解:解:在发电机重量作用下,梁中点的最大静力位移为 自振频率:第34页,此课件共75页哦干扰力的频率:动力系数:梁中点的最大弯矩:梁中点的最大挠度:第35页,此课件共75页哦1414
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