机械结构动力学

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1、结构动力学计算的目的和特点结构动力学主要研究在动荷载作用下结构的位移和内力（以后统称为动力反应）的计算原理和计算方法。结构动力分析要解决的问题有：地震作用下建筑结构、桥梁、大坝的振动；风荷载作用下大型桥梁、高层结构的震动；机器转动产生的不平衡力引起的大型机器基础的振动；车辆运行中由于路面不平顺引起的车辆振动及车辆引起的路面振动；爆炸荷载作用下防护工事的冲击动力反应等等，量大而面广。结构动力破坏的特点是突发性、毁灭性、波及面大等。结构动力分析的目的是确定动力荷载作用下的结构内力和变形；通过动力分析确定结构动力特性等。结构动力学研究结构体系的动力特性及其在动力荷载作用下的动力反应分析原

2、理和方法的一门理论和技术学科。该学科的目的在于为改善工程结构体系在动力环境中的安全性和可靠性提供坚实的理论基础。结构动力计算的特点为：a.动力反应要计算全部时间点上的一系列解，比静力问题复杂且要消耗更多的计算时间。b.与静力问题相比，由于动力反应中结构的位移随时间迅速变化，从而产生惯性力，惯性力对结构的反应又产生重要影响。结构动力学和静力学的本质区别为是否考虑惯性力的影响。结构产生动力反应的内因（本质因素）是惯性力。惯性力的出现使分析工作变得复杂，而对惯性力的了解和有效处理又可使复杂的动力问题分析得以简化。在结构动力反应分析中，有时可通过对惯性力的假设而使动力计算大为简化，如在框架

3、结构地震反应分析中常采用的层模型。惯性力的产生是由结构的质量引起的，对结构中质量位置及其运动的描述是结构动力分析中的关键，这导致了结构动力学和结构静力学中对结构体系自由度定义的不同。动力自由度（数目）：动力分析中为确定体系任一时刻全部质量的几何位置所需要的独立参数的数目。独立参数也称为体系的广义坐标，可以是位移、转角或其它广义量。载荷确定 　载荷有三个因素，即大小、方向和作用点。如果这些因素随时间缓慢变化，则在求解结构的响应时，可把载荷作为静载荷处理以简化计算。载荷的变化或结构的振动是否“缓慢”，只是一个相对的概念。如果载荷的变化周期在结构自由振动周期的五、六倍以上，把它当作静载荷

4、将不会带来多少误差。若载荷的变化周期接近于结构的自由振动周期，即使载荷很小，结构也会因共振（见线性振动）而产生很大的响应，因而必须用结构动力学的方法加以分析。 动载荷按其随时间的变化规律可以分为：①周期性载荷，其特点是在多次循环中载荷相继呈现相同的时间历程，如旋转机械装置因质量不平衡而引起的离心力。周期性载荷可借助傅里叶分析分解成一系列简谐分量之和。②冲击载荷，其特点是载荷的大小在极短的时间内有较大的变化。冲击波或爆炸是冲击载荷的典型来源。③随机载荷，其时间历程不能用确定的时间函数而只能用统计信息描述。由大气湍流引起的作用在飞行器上的气动载荷和由地震波引起的作用在结构物上的载荷均属

5、此类。对于随机载荷，需要根据大量的统计资料制定出相应的载荷时间历程（载荷谱）。对于前两种载荷，可以从运动方程解出位移的时间历程并进一步求出应力的时间历程。对于随机载荷，只能求出位移响应的统计信息而不能得到确定的时间历程，因而须作专门分析才能求出应力响应的统计信息。 　　在结构动力学分析中，动载荷的确定是一项重要而困难的工作。近年来发展的“载荷识别”是一项新技术，它根据结构在实际工作情况下测得的响应资料反推结构所受到的载荷资料。为了确定一个体系在振动过程中全部质量的位置所需独立几何参数的数目，称为动力自由度或简称自由度。这些参数通常表示质量的线位移或转角，它们也就是动力计算中的基本未

6、知量。实际结构的质量是连续分布的，是无限自由度体系。为了简化计算，常按下面的方法进行简化。集中质量法从物理的角度提供一种减少动力自由度的简化方法。把连续分布的质量（根据静力等效原则）集中为几个质点。这样就把无限自由度体系简化成有限自由度体系。具体分为：不计轴向变形的均质简支梁；（2）三层平面刚架在水平力作用下计算侧向振动和（3）块形基础。有限单元法可看作广义坐标法的一种特殊应用。把体系的离散化和单元的广义坐标二者结合起来，就构成了有限单元的概念。其具体作法是：第一，将结构离散为有限个单元（本例为3个单元）；第二，取结点的位移参数（挠度y和转角θ）作为广义坐标，本例为、和、。第三，分

7、别给出与结点位移参数（均为1时）相应的“形状函数”称作“插值函数”（它们确定了指定结点位移之间的形状）；第四，仿照公式（b），体系的位移曲线可用4个广义坐标及其形状函数表示为：　　　　　　　　（c）可事先给定，让其满足边界条件，这样就把无限自由度体系简化为4个自由度体系（和）。有限元法综合集中质量法和广义坐标法的优点：(a)与广义坐标法相似，有限元法采用了形函数的概念，但不同于广义坐标法在全部体系(结构)上插值(即定义形函数),而是采用了分片的插值(即定义分片形函数)