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自由振动

[拼音]:ziyou zhendong

[外文]:free vibration

力学系统受初始扰动后,不再受其他激励而在其平衡位置附近的振动。由于介质阻尼和内耗都看作是属于振动系统的,因此自由振动也包括有阻尼力的振动。最简单的自由振动就是简谐振动。其次是有阻尼力的单自由度线性振动(见线性振动)。对于多自由度的自由振动,由于振动过程发生在系统稳定的平衡位置邻近,若取平衡位置为广义坐标的原点,这时系统的动能T和势能V可近似地表为:

式中q为广义坐标;m为质量;k为刚度。作用在系统上还有与阻尼力类似的耗散力。这种力学系统的运动方程为:

  (1)

式中F为瑞利耗散函数,L=T-V为拉格朗日函数。

对于保守系统,F=0,式(1)变成完整保守系统的拉格朗日方程:

应用上式于多自由度保守系统的自由线性振动,可得振动方程:

Μ悮 +Kq =0,         (2)

式中

q =(q1,q2,…qn)T,

它们分别为质量矩阵、刚度矩阵和广义位移矢量。

这种保守系统的振动特色是由各广义位移作简谐振动而形成的。可设主振动为:

q=u sin(ωt+嗞),         (3)

式中u=(u1,u2,…un)T,称为主振型矢量;qu都可看作列矩阵。将式(3)代入式(2)并约去sin(ωt+嗞),得:

Ku -ω2Μu =0,        (4)

上式称为特征矢方程,而H=K-ω2Μ称为特征矩阵。式(4)有非零解的条件为:

|H|=|K-ω2Μ|=0,       (5)

式(5)称为特征方程;从式(5)可解出n个ωi(i=1,2,…,n)。将ωi代入式(4)后,可解得对应于ωi的n个ui。ωi称固有频率(主频率),或特征值;ui称固有振型(主振型)或特征矢量。当K和Μ为n阶实对称矩阵,且Μ正定时,存在n个实特征值ωi和相应的n个特征矢量ui,故式(2)的特解可写为:

式中Ai和嗞i是待定常数,由初始条件决定。例如已知t=0时的q0和妜0,则有:

从而可求出Ai和嗞i(i=1,2,…,n)。

参考书目王光远编著:《应用分析动力学》,人民教育出版社,北京,1981。

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