《結構動力學》小論文

利用對稱性求解動力問題

組員姓名：

專業班級:

土木班

指導老師：

完成時間：2014年X月

《結構動力學》小論文

——動力計算中對稱性的運用問題

一、摘要

用柔度法計算對稱結構的振動頻率和周期時，選取半結構可以簡化計算。學習之初，對如何建立等效的半結構模型存在一些疑問，通過老師的講解以及自己的摸索，逐漸形成了一個比較清晰的概念，這篇小論文將就這一問題和如何選取對稱結構進行一個小結。

二、對稱法理論分析簡介

1.利用對稱性求解多自由度體系的自振頻率及其相應的主振型

（a）

結構對稱，質量分布也對稱。該類結構不僅可以利用對稱性求自振頻率和主振型；而且應充分的利用對稱性進行簡化計算。

圖（1）

圖1為一對稱結構，質量分布也對稱，其自由振動的微分方程為

yi=-j=14mjyjδij

（i=1,2,3,4）

（a）

由于對稱性，有：

m1=m4，m2=m3

δ11=δ44，δ22=δ33，δ13=δ42，δ21=δ34

根據位移互等定理，有δij=δji（i不等于j）。將式（a）的第一式和第四式相加，第二式和第三式相加，分別得：

y1’=-m1y1’δ11‘-m2y2’δ12’

（b）

y2’=-m1y1’δ21‘-m2y2’δ22‘

（b）

式中：

y1’=y1+y4，y2’=y2+y3

δ11，=δ11+δ14，δ22，=δ22+δ23

δ12，=δ21，=δ12+δ13=δ21+δ24

再將式（a）的第一式減去第四式，第二式減去第三式，分別可得：

y1‘’=-m1y1‘’δ11‘’-m2y2‘’δ12‘’

（c）

y2‘’=-m1y1‘’δ21‘’-m2y2‘’δ22‘’

（c）

式中：

y1‘’=y1-y4，y2‘’=y2-y3

δ11‘’=δ11-δ14，δ22‘’=δ22-δ23，δ12‘’=δ21‘’=δ12-δ13=δ21-δ24

至此，把一組四元二階方程式（a)簡化為兩組二元二階微分方程式（b)和(c)，也就是說，求四個自由度體系的頻率和主振型簡化成求兩個自由度體系的頻率和主振型。

利用對稱性計算頻率和主振型時，通常可取半邊結構計算。圖1所示體系，其主振型不外乎圖2，3和4，5所示的四種形式。圖2，3為對稱振型，圖4，5為對稱振型。它們分別可取圖6和7所示的半邊結構進行計算.下面給一算例：

例：求圖示結構的自振頻率及相應的主振型，EI為常數

圖一

圖二

對稱結構，計算正對稱振型時，B截面既不能轉動，又不能移動，如圖二，可取半邊結構如下圖三

圖三

圖四

計算反對稱振型時，振型如圖五，B截面只能轉動，不能移動，可取半邊結構如圖六

圖六

圖五

圖七

兩種振型見圖二和圖五，由計算結果可知，該結構反對稱主振型為第一主振型，其對應頻率為第一主頻率。

因此不管是靜定結構還是超靜定結構，是計算靜態問題還是動態問題，對稱結構在計算時通常可以簡化，我們應充分利用對稱性，使求解得以簡化，以加快解題速度，達到更好的效果。

但對稱法中還有很多值得商榷的小問題，以例題的形式開始討論：

三、建立等效半結構模型

1、自由振動時半結構的選取

例1

試求圖示剛架的自振頻率。

L

EI

EI

EI

L

m

m

解：（1）結構對稱，可取半結構。計算簡圖如下：

根據柔度系數的定義，在質量m處作用單位力，畫出結構的彎矩圖，圖乘即得到柔度系數。

EIE

EI

EI

L

L/2

半結構計算簡圖

彎矩圖

需注意，由于取了半結構，在計算自振頻率時，質量應由原來的2m變為m進行計算。

（2）求整個結構的柔度系數，計算簡圖如下：

計算簡圖

彎矩圖

繪彎矩圖時，由于結構對稱，可取半結構進行計算。但最終對整個結構進行圖乘。

注意，此題實際上并沒有取半結構，因此計算頻率時質量仍為2m，雖然柔度系數為取半結構計算時的二倍，但與質量相乘可以約分，所得結果與取半結構計算是一樣的。

（3）結論：

①

計算對稱結構的自振頻率時，如果取半結構，則質量應為原來的二分之一；對于半結構求柔度系數，應按柔度系數的定義在結構上施加單位力，繪出半結構的彎矩圖并圖乘，即所有的計算都是基于半結構的；

②

若僅僅對于繪彎矩圖階段取半結構，則單位力應變為原來的二分之一，求出整個結構的彎矩圖并圖乘，即計算是基于整個結構的，因此最后求頻率時質量不變，實際上對于整個題目而言并沒有取半結構；

2、受迫振動時半結構的選取

例2

圖示結構在柱頂有電動機，試求電動機轉動時的最大水平位移和柱端彎矩的幅值。已知電動機的質量集中于柱頂，W=20kN，電動機水平離心力的幅值，電動機轉速，柱的線剛度。

h=6m

W

I=∞

解：（1）此題結構對稱，仍可取半結構計算。根據結構的振動形式（水平振動），其半結構的選取以及彎矩圖如下所示。

半結構計算簡圖

彎矩圖

圖乘，得：

注意，由于取了半結構，質量變為原來的一半（），外力幅值也應取原來的二分之一，即。

（2）求整個結構的柔度系數，僅在繪彎矩圖時取半結構。則與例1相同，求柔度系數時施加在半結構的單位力變為，但結構的質量與施加在結構上的外力大小不變。計算過程如下。

彎矩圖

圖乘得：

注意，解法二實際上仍是基于整個結構的，僅僅在繪彎矩圖時應用了對稱性，因此質量與外力均不變。

（3）結論：

受迫振動時，有外力作用于對稱結構上，如果選取半結構進行計算，則不僅質量變為原來一半，外力幅值也應變為原來的二分之一。但外力的頻率不變。

四、總結

如何選取半結構（如什么時候該用滑動支座和鉸支座），選取半結構之后各物理量應如何做出相應變化（如，求柔度系數時單位力是否變為原來一半，外力幅值是否變化等），以及如何避免計算結果與正確值相差二倍。對此，我們組經過討論以及在做題的過程中也思考了很多。其實，現在看來，這個問題就變得很簡單了，只要明白，如果一開始就利用對稱性取了半結構，那么后面的求解都是基于半結構的；而如果僅僅在求柔度系數繪彎矩圖時取半結構，那么計算還是基于整個結構的，這樣就能明白到底哪些量應變為原來的一半，哪些不用變了。最后感謝龍老師對我們的諄諄教誨，讓我們對結構有了更深的了解。