1、,结 构 动 力 学 绪 论,主讲教师：于开平2009年春季学期哈尔滨工业大学航天学院,参考教材,刘延柱，振动力学，高等教育出版社，1998年，普通高等教育“九五”国家教委重点教材 Ray Clough (R.克拉夫),Joseph Penzien (J. 彭津)著,王光远等翻译，结构动力学（第二版），2006年，高等教育出版社出版。 方同 薛璞，振动理论以及应用，西北工业大学出版社，1998,绪 论,一、结构动力学基本概念 二、结构动力学研究的内容 三、结构动力学研究的目的 四、结构动力学研究的历史与现状 五、结构动力学问题的研究方法,结构：起支撑作用能够承受载荷的构件，也称结构件 结构系统
2、：作为研究对象的单一结构件或者若干结构件的集合 载荷：结构所承受的力，按是否随时间变化分静载荷和动载荷。动载荷在结构动力学问题中更多被称为激励。工程上有时将随时间变化缓慢的载荷按照静载荷处理，带来方便，同时也不会引起较大偏差。,动响应：结构在动载荷作用下将发生变形，这种变形可以是随时间变化的弹性变形或者塑性，称作动态响应 振动： 多数情况下动态响应表现为一种往复变化的形式，这种在某一平衡位置附近的往复运动，称为振荡运动（振动)。振动，在自然界、工程技术领域，日常和社会生活中是广泛存在的。例如，昼夜循环、四季更迭，花开花落；股票价格，国家经济发展速度；心脏的跳动；钟表的摆动；在工程技术领域更是不
3、胜枚举，高耸建筑物、桥梁在风作用下都有微振；飞机，火箭在发动机推力，空气动力作用下都会产生振动；汽车等备种车辆在行驶过程中都会因为发动机、不平路平路面而引起振动。,结构动力学与振动力学的区别多数情况下，二者是统一的，此时结构动力学也称结构振动。严格地说，结构动力学研究的范围更广一些。 机械振动，结构振动区别工程技术领域所涉及的机械部件、工程结构等研究对象都称为振动系统。 多数场合机械振动、结构振动并不加以严格区分。 机械振动研究内容偏重于机械工程领域的对象，结构振动研究内容偏于建筑工程领域的对象。,力学,动力学 机械动力学 结构动力学 振动力学 结构振动，机械振动,二、结构动力学研究的内容,结
4、构动力学就是研究结构系统在激励力作用下产生的响应规律的科学，研究激励力、结构和响应三者关系的科学。现代结构动力学主要研究以下三个方面的内容 1）已知结构的物理特性，激励力的特性，求响应的变化规律，称响应预估，或响应分析、振动分析 2）激励力特性已知，响应特性也可观测到，求结构特性，即求系统参数或求系统的数学模型，称为参数识别或系统辩识问题。也称为系统设计，在外激励力作用下，要求响应控制在一定的范围，对系统进行设计 3）响应特性和结构系统特性已知，求激励力，称为载荷识别，振动环境预测前两个问题称结构动力学正问题，最后一个称为结构动力学反问题,三、结构动力学研究的目的,工程结构发展需求现代工程结构
5、一方面向大型、高速、大功率方向发展，百吨空间站，大型运载火箭（直径5米），高速列车（磁悬浮），07年4月18日计划第六次大提速（车桥振动），超高摩天大楼，各种新型悬浮、斜拉桥，大功率发电机组（30万，60万，120万千瓦汽轮机）。另一方面各种工业产品设计得越加精巧、复杂，具有通信、侦察功能的微型卫星，小到只有拳头甚至苍蝇大的智能微型飞行器，微小型机器人等，这些功能强大、技术先进的结构的动力学问题将越来越突出和严重，传统的静强度设计已不能满足工程需求，必须进行动强度设计，进行动力学分析和设计。,工程中由于振动特性设计不合理而造成严重事故的事例从古至今屡见不鲜。 建筑物由于地震倒垮，现代建筑设计时
6、必须考虑防震，抗震，尤其在地震多发地如日本，唐山大地震24万同胞死难 1940年，风致美国Tacoma大桥垮塌； 火箭中典型的Pogo振动，即火箭的纵向振动和液体输送管路的耦合振动，一直困扰火箭的设计 神州四号过大，五号（拖拉机），六号（小轿车） 澳星发射失败，是箭耦合振动振动过大。 飞机因颤振而坠落，飞机的强度事故中有90%由振动疲劳所至。,研究的目的在于：了解振动产生的原因，分析其运动规律，了解对人体，工程结构的影响，找出控制、清除或利用振动的方法，最终达到结构能有效、可靠地工作。,四、结构动力学研究的历史与现状,远古先民就有利用弦线振动发声的各种乐器，早在战国时期成书的庄子一书明确记载了
7、共振现象。 研究工作有记载的是公元前6世纪毕世哥拉斯通过实验观测到弦线振动发出的声音与弦线的长度、和张力之间的关系。伽哩略进行开创性的研究，利用它的自由落体公式计算了单摆的周期，指出了单摆摆动具有等时性。 1739年欧拉研究了无阻尼简谐受迫振动，从理论上解释了共振现象，1747年他发现了n个自由度系统的精确解释各阶简谐振动的叠加， 18世纪线性振动理论成熟期。,19世纪非线性振动理论，各种工程实际结构振动的近似求解方法。 20世纪50年代初由于航空航天工程的发展，原本确定性理论无法解释包含随机变化的工程问题，发展了随机振动理论。 20世纪后期计算机技术的飞速发展，数值计算方法和理论成为主要研究
8、方法之一。目前，振动力学由基础科学转为基础科学与技术科学的结合。工程需求促进其发展，实验和计算技术的进步使其发展成为可能，目前已经发展成为以解决工程振动问题为首要目标的最有活力的应用力学分支之一。,五、结构动力学问题的研究的基本方法,理论分析，科学实验两大基本方法，近年来随着计算技术的快速发展，数值计算已经成为第三种科学研究方法。理论分析基本步骤：实际工程结构，经过力学抽象建立，力学模型，利用力学、物理基本原理建立，数学模型，利用数学工具进行，方程分析力学抽象，就是将一个实际的结构系统用力学的基本单元来模拟，如梁，板，壳等，或者用质量元件，弹性元件和阻尼元件。前者建立起的力学模型是连续系统模型
9、，后者建立的是离散系统模型，分别看作连续系统和离散系统。力学的基本原理，诸如牛顿第二定律、达朗贝尔原理、能量守恒定律等等数学模型，就是列写描述系统运动规律的数学方程。,理论分析：试图描述系统运动的普遍规律，受数学、物理学科理论发展的限制 科学实验：对理论无法分析和预测的问题，较为复杂的问题，通常使用试验的方法，物力，时间，经费等耗费较大。 数值分析：大大扩展了理论分析的能力，是力学等传统学科理论得以在工程中广泛应用的基础。,结构动力学问题分类,按描述运动的数学方程的类型划分 线性振动， 非线性振动：方程中出现运动状态变量的非线性项。 确定性振动，随机振动：方程中的变量是时间的确定性函数； 方程中的变量不能用时间的确定性函数表示，只具有统计规律，随时间的变化的随机的 离散体单自由度，多自由度以及连续体振动 按系统的激励力的类型划分 自由振动：系统受初始激励后不再受外界激励 受迫振动：系统在外界控制的激励激励作用下的振动 自激振动：在自身控制的激励作用下的振动 参数振动：系统自身参数变化激发的振动,按响应类型划分 简谐振动：响应为时间的正、余弦函数 周期振动：响应为时间的周期函数，可展开为一系列周期可通约的简谐振动叠加 准周期振动：由若干个周期不可通约的简谐振动组合而成 混沌振动：响应为时间的始终有限的非周期函数,
