结构动力学绪论天大

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,结构动力学,天津大学建筑工程学院,课程介绍,研究结构体系的动力特性及其在动力荷载作用下的动力响应，即,结构的振动,。,内容：,线性振动,非线性振动和随机振动。,单自由度系统振动；,多自由度系统振动；,分布参数系统的振动。,第,1,章 绪论,1.1,学习目的和任务,1.,新型的船舶与海洋结构物,新型船舶,多体船：把两个或更多的船体横向以甲板固定在一起。,高速船,水翼型高速船：船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。,大型液化气船,传统的采油平台：导管架钻井平台,活动式钻井平台,自升式钻井平台,新型海洋结构物,自升式钻井平台,浮式生产系统（,Floating production storage and offloading system,简称,FPSO,）,软刚臂系泊浮式生产系统图,张力腿平台,大载荷,TLP,Spar,平台,一种用于深水的生产平台（,Spar Platform),。,三代,Spar,平台,WindSea,海上风力发电机,海洋工程结构的发展历程有两个基本特点：,一、从浅水逐渐向深水发展，从最初不足,10m,水深发展到,2000m,以上更深的海域作业；,二、从固定式结构向顺应式结构发展。,结构受复杂海洋环境的作用,2.,学习结构动力学的具体目的和任务,（,1,）预报海洋载荷作用下结构的动力响应：位移、速度、加速度以及动应力；,（,2,）根据有关标准，评估结构的安全，尤其是疲劳强度问题；,（,3,）进行结构振动控制，优化结构的动力参数；,（,4,）振动利用；,（,5,）发展动力学的理论方法；,振动利用,振动筛,（,1,）解答的方式不同,结构静力问题具有“单一”的解；,结构动力问题中荷载随时间变化,其解是随时间变化的一系列解。,（,2,）力的平衡关系不同,静力问题：外力和内力之间的平衡；,动力问题：外力（又称干扰力、激振力）、内力（恢复力）、阻尼力、惯性力的平衡；,1.,结构动力问题与静力问题的区别？,1.2,结构动力问题的特点,（,3,）响应不同,静力问题响应（包括位移、弯矩等）大小仅与外力,p,的大小以及恢复刚度有关；,动力问题的响应大小与力变化的频率以及结构的固有振动频率有关。例如，共振发生时，响应会很大。,看荷载是否激起结构较大的振动加速度。如果结构振动的加速度很小，则其,惯性力,较小此时该动力荷载的作用与静力荷载的作用并没有显著差别，可以作为静力处理。,2.,如何确定工程中的问题是否采用动力分析？,一般而言如果结构系统的固有频率和荷载干扰频率相差很大，引起的结构振动十分缓慢，惯性力可以忽略不计。,一种随时间变化的荷载是否要作为动力荷载处理，需要根据结构系统自身的特征和荷载随时间的变化规律综合考虑,。,1.3,结构动力问题的分类,1.,结构类型,线性：材料的物理特性为线性，服从应力,-,应变的胡克定理；,非线性：材料非线性，即应力应变关系不服从胡克定理；,结构非线性，线性材料构成的非线性结构，如船舶大幅横摇运动时的非线性回复力，结构大挠度振动等。,3.,动力载荷类型,确定性载荷,载荷的变化规律是确定的，即可用确定函数表达；,随机载荷,又称非确定性载荷，随时间的变化规律不可以预先确定，是随机过程。,2.,响应类型,线性响应；非线性响应,4.,结构动力问题的分类,(1),线性确定性振动,结构自身是线性的并且承受线性荷载的作用；,(2),线性随机振动,结构自身为线性的,荷载为随机的,;,(3),非线性确定振动,结构系统自身性质或者荷载为非线性的,;,(4),非线性随机振动,结构系统自身性质为非线性的而荷载为随机的,或者为非 线性随机荷载。,1.4,结构系统的离散问题,动力自由度概念：,自由度,（,1,）结构的自由度数目对于某一结构来说并不是固定的，它会随着结构计算假定和研究目的而变化，其中，单自由度是最简单的系统。,（,2,）一切结构系统都具有分布质量,都是无限自由度系统,.,但是除了某些简单的结构可以作为无限自由度处理以外,大多数的工程结构作为无限自由度计算将是极其困难的。,离散的目的,将无限自由度结构简化为有限个自由度体系。,结构系统离散,（,1,）集中质量法,不计质量沿梁轴向的位移，可以将其处理为仅有竖向位移的两个自由度系统。将每段总质量的一半分别集中于各段的两端，离散结果如下：,（,2,）广义位移法,（,3,）有限元法,首先将整体结构划分为一系列的单元，单元间以结点相连接；,以结构结点的位移表达结构上各个点的位移状态。,整个结构系统转化为以结点位移为未知数的有限自由度系统了。,1.5,振动能量耗散与阻尼力,1.,振动能量耗散现象,（,1,）受到突然激励产生运动的船舶会逐渐静止下来；,（,2,）强烈的地震过后剧烈摇晃的建筑物会趋于静止；,阻尼,：,消耗振动的能量并使振动衰减的因素。,内阻尼：和材料应变有关,由于材料的非弹性性质或者非弹性变形所引起。,外阻尼：包括更多的复杂因素,包括周围介质对结构的阻力和摩擦阻尼等。,2.,阻尼,粘滞阻尼理论表达阻尼力。,R=-c,式中：,R,为阻尼力，,为振动速度，,c,为粘阻系数。,c,与介质的粘性、振动物体的形状大小及表面情况有关，通常用实验方法测定。,3.,保守系统和非保守系统,理想保守系统：忽略阻尼影响，不计振动能量的耗散。,非保守系统：若考虑系统的阻尼，则系统称为“非保守系统”。,1.6,建立运动方程的方法,有三种方法：直接平衡法，虚位移原理，哈密顿原理。,即,直接平衡法,基于牛顿第二运动定律提出，即任何质量的动量变化率等于作用在这个质量上的力：,M,虚位移原理建立方程,如果,一个平衡体系在一组力的作用下发生虚位移,，,则这些力所作的总功等于零,。,M,哈密顿,(Hamilton),原理建立振动方程,在任何时间区间内,动能和位能的变分加上所考虑的非保守力所作的功的变分必须等于零,，即,其中：,V,-,系统的位能,包括应变能及任何保守外力的势能；,T,-,动能；,Wnc,-,作用于体系上的非保守力,(,包括阻尼力及任何外,荷载,),所作的功。,该方法的优点：仅和纯粹的标量即能量有关；可以导出拉格朗日第二类方程。,动力问题的求解方法,解析法；,数值法；,