连续系统振动梁的弯曲振动课件.ppt

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1、连续系统振动梁的弯曲振动连续系统振动梁的弯曲振动第1页，此课件共50页哦梁的弯曲振动梁的弯曲振动动力学方程动力学方程细长梁的横向弯曲振动细长梁的横向弯曲振动 梁各截面的中心惯性轴在同一平面梁各截面的中心惯性轴在同一平面 xoy 内外载荷作用在该平面内内外载荷作用在该平面内在低频振动时可以忽略剪切变形以及截面绕中性轴转动惯量的影响在低频振动时可以忽略剪切变形以及截面绕中性轴转动惯量的影响梁在该平面作横向振动（微振）梁在该平面作横向振动（微振）,这时梁的主要变形是弯曲变形这时梁的主要变形是弯曲变形欧拉伯努利梁（欧拉伯努利梁（Bernoulli-Euler Beam）f(x,t):单位长度梁上分布的

2、外力单位长度梁上分布的外力 m(x,t):单位长度梁上分布的外力矩单位长度梁上分布的外力矩 梁参数：梁参数：I 截面对中性轴的惯性积截面对中性轴的惯性积 单位体积梁的质量单位体积梁的质量S 梁横截面积梁横截面积E 弹性模量弹性模量外部力：外部力：假设：假设：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第2页，此课件共50页哦2022/10/12f(x,t):单位长度梁上分布的外力单位长度梁上分布的外力 m(x,t):单位长度梁上分布的外力矩单位长度梁上分布的外力矩 微段受力分析微段受力分析令：令：y(x,t):距原点距原点 x 处的截面在处的截面在 t 时刻时刻 的横向位移的横向位移

3、 截面上的剪力和弯矩截面上的剪力和弯矩 微段的惯性力微段的惯性力 微段所受的外力微段所受的外力 微段所受的外力矩微段所受的外力矩 连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第3页，此课件共50页哦2022/10/13力平衡方程力平衡方程：以右截面上任一点为矩心，力矩平衡：以右截面上任一点为矩心，力矩平衡：略去高阶小量得：略去高阶小量得：材料力学的等截面假设，弯矩与挠度的关系：材料力学的等截面假设，弯矩与挠度的关系：变截面梁的动力学方程：变截面梁的动力学方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第4页，此课件共50页哦2022/10/14变截面梁的动力学方程：变截面

4、梁的动力学方程：等截面梁的动力学方程：等截面梁的动力学方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动5第5页，此课件共50页哦固有频率和模态函数固有频率和模态函数变截面梁：变截面梁：讨论梁的自由振动讨论梁的自由振动 根据对杆纵向振动的分析，梁的主振动可假设为：根据对杆纵向振动的分析，梁的主振动可假设为：代入自由振动方程：代入自由振动方程：等截面梁：等截面梁：通解：通解：和和可通可通过过梁的梁的边边界条件界条件确定确定 连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第6页，此课件共50页哦2022/10/16等截面梁：等截面梁：主振动：主振动：第第 i 阶阶主振主振动动：无

5、穷多个无穷多个和和 由系由系统统的的初始条件初始条件确定确定 系统的自由振动是无穷多个主振动的叠加：系统的自由振动是无穷多个主振动的叠加：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第7页，此课件共50页哦2022/10/17常见的约束状况与边界条件常见的约束状况与边界条件（1）固定端）固定端挠度和截面转角为零挠度和截面转角为零（2）简支端）简支端挠度和弯矩为零挠度和弯矩为零（3）自由端）自由端弯矩和剪力为零弯矩和剪力为零连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第8页，此课件共50页哦2022/10/18例：例：求悬臂梁固有频率和模态函数求悬臂梁固有频率和模态函数解：解

6、：一端固定，一端自由一端固定，一端自由边界条件边界条件固定端：挠度和截面转角为零固定端：挠度和截面转角为零自由端：弯矩和截面剪力为零自由端：弯矩和截面剪力为零非零解条件：非零解条件：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第9页，此课件共50页哦2022/10/19频率方程频率方程当当 i=1,2,3时时当当 时时各阶各阶固有频率固有频率：对应的各阶对应的各阶模态函数模态函数：简化简化连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第10页，此课件共50页哦2022/10/110铅垂梁的前三阶模态形状铅垂梁的前三阶模态形状第一阶模态第一阶模态第二阶模态第二阶模态第三阶模态第

7、三阶模态一个节点一个节点两个节点两个节点无节点无节点节点位置节点位置连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第11页，此课件共50页哦2022/10/111例：例：简支梁固有频率和模态函数简支梁固有频率和模态函数解：解：一端固定铰，一端滑动铰一端固定铰，一端滑动铰固定铰：挠度和截面弯矩为零固定铰：挠度和截面弯矩为零滑动铰：挠度和截面弯矩为零滑动铰：挠度和截面弯矩为零频率方程：频率方程：固有频率：固有频率：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第12页，此课件共50页哦2022/10/112频率方程：频率方程：固有频率：固有频率：模态函数：模态函数：第一阶模态第一阶

8、模态第二阶模态第二阶模态第三阶模态第三阶模态第四阶模态第四阶模态模态形状模态形状节点位置节点位置无节点无节点一个节点一个节点两个节点两个节点三个节点三个节点连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第13页，此课件共50页哦2022/10/113例：例：两端自由梁的固有频率和模态函数两端自由梁的固有频率和模态函数背景：导弹飞行背景：导弹飞行系统类别：半正定系统系统类别：半正定系统存在刚体模态存在刚体模态导弹飞行导弹飞行1导弹飞行导弹飞行2连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第14页，此课件共50页哦2022/10/114频率方程：频率方程：模态函数：模态函数：当当

9、 i=1,2,3时时解得：解得：当当 时时自由端：弯矩和截面剪力为零自由端：弯矩和截面剪力为零当当 时时对应刚体模态对应刚体模态连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第15页，此课件共50页哦2022/10/115第二阶模态第二阶模态第三阶模态第三阶模态第四阶模态第四阶模态第五阶模态第五阶模态自由梁的模态形状自由梁的模态形状连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第16页，此课件共50页哦2022/10/116例：试用数值确定一根一端固定另一端简支的梁的频率方例：试用数值确定一根一端固定另一端简支的梁的频率方程，并且绘出第一阶模态和第二阶模态的挠度曲线。程，并且绘

10、出第一阶模态和第二阶模态的挠度曲线。连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第17页，此课件共50页哦2022/10/117解：解：梁的自由振动方程：梁的自由振动方程：边界条件边界条件固定端：固定端：自由端：自由端：模态函数：模态函数：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第18页，此课件共50页哦2022/10/118连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第19页，此课件共50页哦2022/10/119非零解条件：非零解条件：频率方程：频率方程：求得：求得：对应的各阶模态函数：对应的各阶模态函数：代入：代入：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲

11、振动梁的弯曲振动第20页，此课件共50页哦2022/10/120第一阶模态：第一阶模态：第二阶模态：第二阶模态：0.560连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第21页，此课件共50页哦2022/10/121例：悬臂梁例：悬臂梁一端固定，另一端有弹性支撑一端固定，另一端有弹性支撑边界条件边界条件固定端：挠度和截面转角为零固定端：挠度和截面转角为零弹性支撑端：剪力、弯矩分别与直线弹簧反力、卷簧反力矩相等弹性支撑端：剪力、弯矩分别与直线弹簧反力、卷簧反力矩相等弹簧二：直线弹簧与挠度成正比弹簧二：直线弹簧与挠度成正比弹簧一：卷簧与截面转角成正比弹簧一：卷簧与截面转角成正比弯矩平衡条件

12、：弯矩平衡条件：剪力平衡条件：剪力平衡条件：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第22页，此课件共50页哦2022/10/122固定端：固定端：弹性支撑端：弹性支撑端：由固定端条件解得：由固定端条件解得：由弹性支撑固定端条件解得：由弹性支撑固定端条件解得：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第23页，此课件共50页哦2022/10/123或或非零解条件导出频率方程：非零解条件导出频率方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第24页，此课件共50页哦2022/10/124（1）若）若k1、k2 同时为零，则退化为悬臂梁的情形同时为零，则退化

13、为悬臂梁的情形讨论：讨论：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第25页，此课件共50页哦2022/10/125（2）若）若k10、k2 无穷大，则退化为一端固定另一端简支的情形无穷大，则退化为一端固定另一端简支的情形讨论：讨论：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第26页，此课件共50页哦2022/10/126例：悬臂梁自由端附有质量例：悬臂梁自由端附有质量求频率方程求频率方程解：解：固定端：固定端：自由端：弯矩为零，剪力与质量惯性力平衡自由端：弯矩为零，剪力与质量惯性力平衡利用同上述算例相同的方法，得频率方程：利用同上述算例相同的方法，得频率方程：其中：其

14、中：为集中质量与梁质量之比为集中质量与梁质量之比为梁质量为梁质量连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第27页，此课件共50页哦2022/10/127说明：说明：以上以上以上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，因此以上有关以上有关以上有关以上有关梁的分析只适用于细长梁梁的分析只适用于细长梁梁的分析只适用于细长梁梁的分析只适用于细长梁（梁的长度大于梁高度（梁的长度大于梁高度5倍以上）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若梁为非细长梁，必须考虑剪切

15、变形和截面转动惯量的影响若梁为非细长梁，必须考虑剪切变形和截面转动惯量的影响铁木辛柯梁铁木辛柯梁（Timoshenko beamTimoshenko beam）考虑剪切变形使得梁的刚度降低，考虑转动惯量使得梁的惯性增加，考虑剪切变形使得梁的刚度降低，考虑转动惯量使得梁的惯性增加，这两个因素都会使梁的固有频率降低这两个因素都会使梁的固有频率降低连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第28页，此课件共50页哦2022/10/128模态函数的正交性模态函数的正交性等截面梁：等截面梁：变截面梁自由振动方程：变截面梁自由振动方程：主振动：主振动：代入，得：代入，得：设设：连续系统的振动连

16、续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第29页，此课件共50页哦2022/10/129（1）（2）(1)式两式两边边乘乘 并沿梁并沿梁长长 积积分：分：分部积分分部积分：在梁的简单边界上，总有挠度或剪力中的一个与转角或弯矩中的一个同时为零在梁的简单边界上，总有挠度或剪力中的一个与转角或弯矩中的一个同时为零(3)代入（代入（3）式）式：同理，同理，(2)式两式两边边乘乘 并沿梁并沿梁长积长积分：分：相减：相减：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第30页，此课件共50页哦2022/10/130时，时，主振型关于主振型关于质质量的正交性量的正交性 主振型关于主振型关于刚刚度的正交

17、性度的正交性 i=j恒成立恒成立第第 j 阶主质量阶主质量 第第 j 阶主刚度阶主刚度 第第 j 阶固有频率阶固有频率连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第31页，此课件共50页哦2022/10/131第第 j 阶主质量阶主质量 第第 j 阶主刚度阶主刚度 第第 j 阶固有频率阶固有频率时时时时主主振振型型中中的的常常数数按按归归一一化条件确定化条件确定：正则振型正则振型 正则振型的正交性：正则振型的正交性：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第32页，此课件共50页哦2022/10/132梁横向振动的强迫响应梁横向振动的强迫响应方程方程：令令：代入代入：两

18、两边边乘乘 并沿梁并沿梁长积长积分：分：由正交性条件：由正交性条件：第第 j 个正则坐标方程个正则坐标方程 第第 j 个正则坐标的广义力个正则坐标的广义力 由分部积分由分部积分：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第33页，此课件共50页哦2022/10/133梁初始条件的处理梁初始条件的处理两式乘两式乘并沿梁并沿梁长积长积分，由正交性条件：分，由正交性条件：第第 j 个正则坐标方程：个正则坐标方程：第第 j 个正则模态响应：个正则模态响应：得到得到 后，即可得到梁的响应后，即可得到梁的响应连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第34页，此课件共50页哦202

19、2/10/134如果作用在梁上的载荷不是分布力矩，而是集中力和集中力矩如果作用在梁上的载荷不是分布力矩，而是集中力和集中力矩 利用利用函数函数:连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第35页，此课件共50页哦2022/10/135中点受常力中点受常力 P 作用产生静变形作用产生静变形例：简支梁例：简支梁求：当求：当 P 突然移出时梁的响应突然移出时梁的响应解：解：由材力得初始条件由材力得初始条件:梁中点的静挠度梁中点的静挠度连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第36页，此课件共50页哦2022/10/136梁两端简支梁两端简支 固有频率：固有频率：振型函数：振

20、型函数：归一化条件：归一化条件：模态初始条件：模态初始条件：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第37页，此课件共50页哦2022/10/137模态初始条件：模态初始条件：没有激振力，正则广义力为零没有激振力，正则广义力为零正则广义力正则广义力模态响应：模态响应：梁响应：梁响应：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第38页，此课件共50页哦2022/10/138例：简支梁例：简支梁求：梁的响应求：梁的响应中点受力矩中点受力矩 作用作用连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第39页，此课件共50页哦2022/10/139解：解：由上例知：由上例

21、知：固有频率：固有频率：振型函数：振型函数：正则广义力：正则广义力：第第 i 个正则方程：个正则方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第40页，此课件共50页哦2022/10/140例：悬臂梁例：悬臂梁自由端作用有正弦力自由端作用有正弦力求稳态强迫振动，以及梁自由端的响应。求稳态强迫振动，以及梁自由端的响应。连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第41页，此课件共50页哦2022/10/141解：解：强迫振动方程强迫振动方程：模态函数模态函数：设解为设解为：代入方程代入方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第42页，此课件共50页哦2

22、022/10/142利用正则模态正交性条件利用正则模态正交性条件：两两边边乘乘 并沿梁并沿梁长对长对 x 积积分：分：模态稳态解模态稳态解：梁的响应：梁的响应：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第43页，此课件共50页哦2022/10/143梁自由端的响应梁自由端的响应令令 x=l：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第44页，此课件共50页哦2022/10/144例：简支梁，左端承受正弦支撑运动例：简支梁，左端承受正弦支撑运动试求梁的响应。试求梁的响应。连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第45页，此课件共50页哦2022/10/145

23、解：解：振动方程振动方程 解释：解释：微段分析微段分析力平衡方程力平衡方程 连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第46页，此课件共50页哦2022/10/146以右截面上任一点为矩心，力矩以右截面上任一点为矩心，力矩平衡：平衡：略去高阶小量：略去高阶小量：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第47页，此课件共50页哦2022/10/147材料力学的等截面假设，弯矩与挠材料力学的等截面假设，弯矩与挠度的关系：度的关系：梁的振动方程：梁的振动方程：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第48页，此课件共50页哦2022/10/148代入方程：代入方程：令：令：设解为：设解为：归一化正则模态归一化正则模态连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第49页，此课件共50页哦2022/10/149代入：代入：用用乘上式，并沿杆长积分：乘上式，并沿杆长积分：正交性：正交性：连续系统的振动连续系统的振动/梁的弯曲振动梁的弯曲振动第50页，此课件共50页哦2022/10/150