連續(xù)系統(tǒng)振動(dòng)(a)-桿的縱向振動(dòng)課件

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)理論2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》2－實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)都是連續(xù)體，具有連續(xù)分布的質(zhì)量與彈性，又稱連續(xù)系統(tǒng)或分布參數(shù)系統(tǒng)－確定連續(xù)體上無數(shù)質(zhì)點(diǎn)的位置需要無限多個(gè)坐標(biāo)，因此連續(xù)體是具有無限多自由度的系統(tǒng)－連續(xù)體的振動(dòng)要用時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)來描述，其運(yùn)動(dòng)方程不再像有限多自由度系統(tǒng)那樣是二階常微分方程組，它是偏微分方程－在物理本質(zhì)上，連續(xù)體系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)沒有什么差別，連續(xù)體振動(dòng)的基本概念與分析方法與有限多自由度系統(tǒng)是完全類似的2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》3教學(xué)內(nèi)容一維波動(dòng)方程梁的彎曲振動(dòng)集中質(zhì)量法假設(shè)模態(tài)法模態(tài)綜合法（1）有限元法模態(tài)綜合法（2）2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》4（1）本章討論的連續(xù)體都假定為線性彈性體，即在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律假設(shè):（2）材料均勻連續(xù)；各向同性（3）振動(dòng)為微振2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》5一維波動(dòng)方程動(dòng)力學(xué)方程固有頻率和模態(tài)函數(shù)主振型的正交性桿的縱向強(qiáng)迫振動(dòng)連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》6動(dòng)力學(xué)方程（1）桿的縱向振動(dòng)

等截面細(xì)直桿的縱向振動(dòng)桿長l假定振動(dòng)過程中各橫截面仍保持為平面截面積S材料密度彈性模量E忽略由縱向振動(dòng)引起的橫向變形：單位長度桿上分布的縱向作用力

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》7：桿上距原點(diǎn)x

處截面t時(shí)刻的縱向位移微段分析微段應(yīng)變：橫截面上內(nèi)力：達(dá)朗貝爾原理：達(dá)朗貝爾慣性力連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》8桿上距原點(diǎn)x

處截面在時(shí)刻t的縱向位移橫截面上的內(nèi)力：達(dá)朗貝爾原理：桿的縱向強(qiáng)迫振動(dòng)方程等直桿ES為常數(shù)彈性縱波沿桿的縱向傳播速度

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》9（2）弦的橫向振動(dòng)弦兩端固定，以張力F

拉緊在分布力作用下作橫向振動(dòng)建立坐標(biāo)系：弦上x處橫截面t時(shí)刻的橫向位移

：單位長度弦上分布的作用力

：單位長度弦質(zhì)量

微段受力情況達(dá)朗貝爾原理：

弦的橫向強(qiáng)迫振動(dòng)方程令：并考慮到：彈性橫波的縱向傳播速度微振達(dá)朗貝爾慣性力弦的定義:很細(xì)長振動(dòng)中認(rèn)為張力不變連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》10（3）軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)細(xì)長圓截面等直桿在分布扭矩作用下作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)假定振動(dòng)過程中各橫截面仍保持為平面截面的極慣性矩Ip材料密度切變模量G：單位長度桿上分布的外力偶矩

桿參數(shù)：：桿上距離原點(diǎn)x

處的截面在時(shí)刻t

的角位移截面處扭矩T微段dx

受力：微段繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量達(dá)朗貝爾慣性力偶連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》11微段dx

受力達(dá)朗貝爾原理：材料力學(xué)：圓截面桿的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)方程等直桿，抗扭轉(zhuǎn)剛度GIp為常數(shù)剪切彈性波的縱向傳播速度連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》12小結(jié)：（1）桿的縱向振動(dòng)

（2）弦的橫向振動(dòng)雖然它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式上并不相同，但它們的運(yùn)動(dòng)微分方程是類同的，都屬于一維波動(dòng)方程（3）軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/一維波動(dòng)方程2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》13固有頻率和模態(tài)函數(shù)以等直桿的縱向振動(dòng)為對(duì)象自由振動(dòng)假設(shè)桿的各點(diǎn)作同步運(yùn)動(dòng)：q(t)：運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)間函數(shù)：桿上距原點(diǎn)x處的截面的縱向振動(dòng)振幅

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)（常數(shù)）2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》14記：通解：（確定桿縱向振動(dòng)的形態(tài)，稱為模態(tài)）由桿的邊界條件確定

與有限自由度系統(tǒng)不同，連續(xù)系統(tǒng)的模態(tài)為坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，表示各坐標(biāo)振幅的相對(duì)比值由頻率方程確定的固有頻率有無窮多個(gè)（下面講述）（桿的邊界條件確定固有頻率）連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》15第

i

階主振動(dòng)：一一對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的自由振動(dòng)是無窮多個(gè)主振動(dòng)的疊加：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》16幾種常見邊界條件下的固有頻率和模態(tài)函數(shù)（1）兩端固定邊界條件：不能恒為零

頻率方程固有頻率：由于零固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)函數(shù)為零，因此零固有頻率除去特征：兩端位移為零模態(tài)函數(shù)：無窮多個(gè)連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》17（2）兩端自由特征：自由端的軸向力為零

邊界條件：零固有頻率對(duì)應(yīng)的常值模態(tài)為桿的縱向剛性位移頻率方程和固有頻率兩端固定桿的情況相同固有頻率：模態(tài)函數(shù)：頻率方程連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》18（3）一端固定，一端自由特征：固定端位移為零自由端軸向力為零

邊界條件：固有頻率：模態(tài)函數(shù)：或：頻率方程連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》19左端自由，右端固定特征：固定端位移為零自由端軸向力為零

邊界條件：固有頻率：模態(tài)函數(shù)：頻率方程連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》20邊界條件模態(tài)函數(shù)頻率方程固有頻率連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》21例：一均質(zhì)桿，左端固定，右端與一彈簧連接推導(dǎo)系統(tǒng)的頻率方程連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》22解：邊界條件：頻率方程振型函數(shù)：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》23例：一均質(zhì)桿，左端固定，右端與一集中質(zhì)量M固結(jié)推導(dǎo)系統(tǒng)的頻率方程邊界條件：自己推導(dǎo)！連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》24主振型的正交性只對(duì)具有簡單邊界條件的桿討論主振型的正交性桿可以是變截面或等截面質(zhì)量密度及截面積S

等都可以是x的函數(shù)

動(dòng)力方程：自由振動(dòng)：主振動(dòng)：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》25桿的簡單邊界：固定端x=0

或l自由端x=0

或l

乘并沿桿長積分：分部積分：任一端上總有或成立

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》26乘并沿桿長積分：同理乘并沿桿長：相減時(shí)桿的主振型關(guān)于質(zhì)量的正交性桿的主振型關(guān)于剛度的正交性連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》27關(guān)于質(zhì)量的正交性關(guān)于剛度的正交性當(dāng)時(shí)

恒成立令：第i

階模態(tài)主質(zhì)量第i

階模態(tài)主剛度第i

階固有頻率：主振型歸一化：正則振型則第i

階主剛度：合寫為：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》28桿的縱向強(qiáng)迫振動(dòng)采用振型疊加法進(jìn)行求解強(qiáng)迫振動(dòng)方程：初始條件：假定，已經(jīng)得出令：正則坐標(biāo)兩邊乘并沿桿長對(duì)x

積分

利用正交性條件第j

個(gè)正則坐標(biāo)的廣義力

連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》29模態(tài)初始條件的求解乘并沿桿長對(duì)x

積分，由正交性條件：

求得后可得連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》30集中力可表達(dá)成分布力形式：正則坐標(biāo)廣義力：分布力連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》31例：等直桿自由端作用有：為常數(shù)求：桿的縱向穩(wěn)態(tài)響應(yīng)連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》32解：一端固定，一端自由邊界條件：固有頻率：模態(tài)函數(shù)：歸一化條件：模態(tài)廣義力：正則方程：穩(wěn)態(tài)振動(dòng)：當(dāng)外部力頻率等于桿的任一階固有頻率時(shí)都會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》33例：一均質(zhì)桿兩端固定。假定在桿上作用有兩個(gè)集中力，如圖所示試問：當(dāng)這些力突然移去時(shí)，桿將產(chǎn)生甚么樣的振動(dòng)？連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》34邊界條件：兩端固定初始條件：模態(tài)函數(shù)：解：自由振動(dòng)方程：固有頻率：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》35系統(tǒng)的自由振動(dòng)是無窮多個(gè)主振動(dòng)的疊加：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》36初始條件：應(yīng)用位移初始條件：兩邊乘并沿桿長積分，然后利用正交性條件：應(yīng)用速度初始條件：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》37連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》38系統(tǒng)響應(yīng)：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》39例：有一根x=0端為自由,x=l端處為固定的直桿，固定端承受支撐運(yùn)動(dòng)為振動(dòng)的幅值試求桿的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》40解：建立方程微段分析應(yīng)變：內(nèi)力：達(dá)朗貝爾原理：桿上距原點(diǎn)x

處截面在時(shí)刻t的縱向位移連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》41令：代入方程：即：設(shè)解為：為歸一化的正則模態(tài)代入方程，得：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》42用乘上式，并沿桿長積分：利用正交性：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)/桿的縱向振動(dòng)2023年7月22日《振動(dòng)力學(xué)》43模態(tài)穩(wěn)態(tài)解：連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)