结构动力学多自由度线性体系Wilson-θ法程序编写

多自由度线性体系Wilson -θ法程序编写

【摘要】本文主要介绍了通过使用Matlab 软件，Wilson-θ法编写多自由度线性

体系的程序的原理、流程图、具体算例以及使用注意事项。通过该程序可以得到剪切型结构在任意函数荷载作用下各质点的位移函数。

【关键词】Matlab ；多自由度；Wilson-θ法

1.wilson-θ法原理

wilson-θ法中最主要的步骤就是推导由t 时刻的状态求t t ?+时刻的状态的递推公

式，现推导如下：

对τ积分

解出

代入

整理，得

其中

本程序的核心就是对以上公式的循环使用。

{}{}{}{})(t t t t t y y t

y

y -?+=?++θτθτ

t ?=θτ{}{}{}{}{})(22

t t t t t t y

y t y y y

-?++=?++θτθττ{}{}{}{}{}{})(623

2t t t t t t t y

y t

y y y y -?+++=?++θτ

θτττ{}{}{}{}{})(21

t t t t t t t y

y t y t y y -?+?+=?+?+θθθθ{}{}{}{}{})2(6

)(2

t t t t t t t y

y t y t y y +?+?+=?+?+θθθθ{}{}{}{}{}t t t t t t t y y t y y t y 26

)()(62

-?--?=?+?+θθθθ{}{}{}{}{}t t t t t t t y

t

y y y t y 2

2)(3?---?=?+?+θθθθ[]{}[]{}[]{}{}t t t t t t t t P y k y C y

m ?+?+?+?+=++θθθθ []{}[]{}[]{}{}P y k y C y

m =++ []{}[]

R y k t t =?+θ[]

[][][]

c t

m t k k ?+?+

=θθ3

)(6

2

[]{}{}{}[]{}{}{}[]{}{}{})223()26)(6()(2t t t t t t t t t t y

t y y t c y y t y t m P P P R ?++?++?+?+-+=?+θθθθθ{}{}{}{})

(t t t t t t P P P P -+=?+?+θθ

2.程序流程图

求出各常数值

For I=1 to n

[][][][]

c a m a k k 1

++=

3.具体应用算例

如图所示，两自由度框架结构，其中

初始静止，求各层位移。

将相应的数据输入到程序中，得出各层位移关于时间的图像。图1为第一层，图2为第二层。

将所得数值解与精确解相比较，图中实线为数值解，虚线为精确解。

由两张图，我们可以看出数值解大致是与精确相近的，但是仍然有些许的不同，这可能是算法中仍然有缺陷，说明程序仍然有待改善。

kg

1020021==m m kN/m 30001=k kN/m 20002=k kN 217.0=P s

/145.11=

θ图1

4.程序使用注意事项

（1）本程序针对于剪切型刚架结构，对于其他结构无法使用。

（2）本程序中各质点的荷载必须是函数的形式（包括常数），即对于只有某些点的荷载无法使用，且荷载函数输入时，必须采用inline语句。例如荷载为常数10，则输入inline（’10’）；如荷载函数为sin（at），则输入inline（’sin(a*t)’,’t’）。

（3）本程序主要针对无阻尼情况，若有阻尼，只需输入阻尼矩阵即可。

（4）θ的值应大于1.37，通常取1.4，优化值为1.420815。

（5）从第一层开始为m

1，m

2

……

【参考文献】

[1] 王焕定. 结构力学（第3版）[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[2] Anil K.Chopra. 结构动力学理论及其在地震工程中的应用（第2版）[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

图2

结构动力学读书笔记

《结构动力学》读书报告 学院 专业 学号 指导老师 2013 年 5月 28日

摘要：本书在介绍基本概念和基础理论的同时，也介绍了结构动力学领域的若干前沿研究课题。既注重读者对基本知识的掌握，也注重读者对结构振动领域研究发展方向的掌握。主要容包括运动方程的建立、单自由度体系、多自由度体系、无限自由度体系的动力学问题、随机振动、结构动力学的前沿研究课题。侧重介绍单自由度体系和多自由度体系，重点突出，同时也着重介绍了在抗震中的应用。 1 概述 1.1结构动力学的发展及其研究容： 结构动力学，作为一门课程也可称作振动力学，广泛地应用于工程领域的各个学科，诸如航天工程，航空工程，机械工程，能源工程，动力工程，交通工程，土木工程，工程力学等等。作为固体力学的一门主要分支学科，结构动力学起源于经典牛顿力学，就是牛顿质点力学。质点力学的基本问题是用牛顿第二定律来建立公式的。牛顿质点力学，拉格朗日力学和哈密尔顿力学是结构动力学基本理论体系组成的三大支柱。 经典动力学的理论体系早在19世纪中叶就已建立，。但和弹性力学类似，理论体系虽早已建立，但由于数学求解上的异常困难，能够用来解析求解的实际问题实在是少之又少，能够通过手算完成的也不过仅仅限于几个自由度的结构动力体系。因此，在很长一段时间，动力学的求解思想在工程实际中并未得到很好的应用，人们依然习惯于在静力学的畴用静力学的方法来解决工程实际问题。 随着汽车，飞机等新时代交通工具的出现，后工业革命时代各种大型机械的创造发明，以及越来越多的摩天大楼的拔地而起，工程界日新月异的发展和变化对工程师们提出了越来越高的要求，传统的只考虑静力荷载的设计理念和设计方法显然已经跟不上时代的要求了。也正是从这个时候起，结构动力学作为一门学科，也开始受到工程界越来越高的重视，从而带动了结构动力学的快速发展。 结构动力学这门学科在过去几十年来所经历的深刻变革，其主要原因也正是由于电子计算机的问世使得大型结构动力体系数值解的得到成为可能。由于电子计算机的超快速度的计算能力，使得在过去凭借手工根本无法求解的问题得到了解决。目前，由于广泛地应用了快速傅立叶变换（FFT），促使结构动力学分析发生了更加深刻地变化，而且使得结构动力学分析与结构动力试验之间的相互关系也开始得以沟通。总之，计算机革命带来了结构动力学求解方法的本质改变。 作为一门课程，结构动力学的基本体系和容主要包括以下几个部分：单自由度系统结构动力学，；多自由度系统结构动力学，；连续系统结构动力学。此外，如果系统上所施加的动力荷载是确定性的，该系统就称为确定性结构动力系统；而如果系统上所施加的动力荷载是非确定性的，该系统就称为概率性结构动力系统。 1.2主要理论分析 结构的质量是一连续的空间函数，因此结构的运动方程是一个含有空间坐标和时间的偏微分方程，只是对某些简单结构，这些方程才有可能直接求解。对于绝大多数实际结构，在工程分析中主要采用数值方法。作法是先把结构离散化成为一个具有有限自由度的数学模

机械原理平面机构的运动简图及自由度习题答案

1． 计算齿轮机构的自由度. 解：由于B. C 副中之一为虚约束，计算机构自由度时，应将 C 副去除。即如下 图所示： 该机构的自由度1213233231=?-?-?=--=h p p n F 2. .机构具有确定运动的条件是什么如果不能满足这一条件，将会产生什么结果 机构在滚子B 处有一个局部自由度，应去除。 该机构的自由度017253231=-?-?=--=h p p n F 定轴轮系 A B C 1 2 3 4 图2－22 A B C D G E H F

当自由度F=1时,该机构才能运动, 如果不能满足这一条件,该机构无法运动。 该机构当修改为下图机构，则机构可动： N=4, PL=5, Ph=1; F=?-?-= 自由度342511 3. 计算机构的自由度. 1)由于机构具有虚约束, 机构可转化为下图机构。 F=?-?-= 自由度342511

2)由于机构具有虚约束, 机构可转化为下图机构。 F=?-?= 自由度31211 3)由于机构具有虚约束, 机构可转化为下图机构。 F=?-?= 自由度33241 第一章平面机构的运动简图及自由度 一、判断题（认为正确的，在括号内画√，反之画×） 1.机构是由两个以上构件组成的。（） 2.运动副的主要特征是两个构件以点、线、面的形式相接触。（） 3.机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度大于零。（） 4.转动副限制了构件的转动自由度。（） 5.固定构件（机架）是机构不可缺少的组成部分。（） 个构件在一处铰接，则构成4个转动副。（） 7.机构的运动不确定，就是指机构不能具有相对运动。（） 8.虚约束对机构的运动不起作用。（） 二、选择题 1.为使机构运动简图能够完全反映机构的运动特性,则运动简图相对于与实际机构的（）应相同。 A.构件数、运动副的类型及数目 B.构件的运动尺寸 C.机架和原动件 D. A 和B 和C 2.下面对机构虚约束的描述中，不正确的是（）。 A.机构中对运动不起独立限制作用的重复约束称为虚约束，在计算机构自由度时应除去虚约束。 B.虚约束可提高构件的强度、刚度、平稳性和机构工作的可靠性等。 C.虚约束应满足某些特殊的凡何条件，否则虚约束会变成实约束而影响机构的正常运动。为此应规定相应的制造精度要求。虚约束还使机器的结构复杂，成本增加。 D.设计机器时，在满足使用要求的情况卜，含有的虚约束越多越好。 三、综合题

结构动力学习题解答(一二章)

第一章 单自由度系统 1.1 总结求单自由度系统固有频率的方法和步骤。 单自由度系统固有频率求法有：牛顿第二定律法、动量距定理法、拉格朗日方程法和能量守恒定理法。 1、 牛顿第二定律法 适用范围：所有的单自由度系统的振动。 解题步骤：（1） 对系统进行受力分析,得到系统所受的合力； （2） 利用牛顿第二定律∑=F x m && ,得到系统的运动微分方程； （3） 求解该方程所对应的特征方程的特征根，得到该系统的固有频率。 2、 动量距定理法 适用范围：绕定轴转动的单自由度系统的振动。 解题步骤：（1） 对系统进行受力分析和动量距分析； （2） 利用动量距定理J ∑=M θ &&,得到系统的运动微分方程； （3） 求解该方程所对应的特征方程的特征根，得到该系统的固有频率。 3、 拉格朗日方程法： 适用范围：所有的单自由度系统的振动。 解题步骤：（1）设系统的广义坐标为θ，写出系统对于坐标θ的动能T 和势能U 的表达式；进一步写求出拉格朗日函数的表达式：L=T-U ； （2）由格朗日方程 θθ ??- ???L L dt )(&=0，得到系统的运动微分方程； （3） 求解该方程所对应的特征方程的特征根，得到该系统的固有频率。 4、 能量守恒定理法 适用范围：所有无阻尼的单自由度保守系统的振动。 解题步骤：（1）对系统进行运动分析、选广义坐标、写出在该坐标下系统的动能T 和势能U 的表达式；进一步写出机械能守恒定理的表达式 T+U=Const （2）将能量守恒定理T+U=Const 对时间求导得零,即 0) (=+dt U T d ，进一步得到系统的运动微分方程； （3） 求解该方程所对应的特征方程的特征根，得到该系统的固有频率。 1.2 叙述用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法和步骤。 用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法有两个：衰减曲线法和共振法。 方法一：衰减曲线法。 求解步骤：（1）利用试验测得单自由度系统的衰减振动曲线，并测得周期和相邻波峰和波谷的幅值i A 、1+i A 。 （2）由对数衰减率定义 )ln( 1 +=i i A A δ， 进一步推导有 2 12ζ πζδ-= ，

1章机构自由度计算

第1章习题 1-1 绘出图1-7所示的唧筒机构的机构运动简图。 1-2 绘出图1-8所示叶片式油泵的机构运动简图。 1-3 绘出图1-9所示回转柱塞泵的机构运动简图。 1-4 绘出图1-10所示冲床架机构的机构运动简图。 1-5 试判断图1-11、图1-12所示运动链能否成为机构，并说明理由。若不能成为机构，请提出修改办法。 1-6 计算图1-13至图1-20所示各机构的自由度，并指出其中是否含有复合铰链、局部自由度或虚约束，说明计算自由度时应做何处理。 1-7 计算图1-21至图1-26所示各机构的自由度，用低副代替高副，并确定机构所含杆组的数目和级别以及机构的级别。

第1章综合测试题 1-1 填空题及简答题 (1)平面机构中若引入一个高副将带入个约束，而引入一个低副将带

入人约束。 （2）高副低代必须满足的条件是，。 （3）何谓运动链？运动链具备什么条件才具有运动的可能性？具备什么条件才具有运动的确定性？运动链具备什么条件才能成为机构？ （4）何谓机构运动简图？绘制的步骤如何？ （5）机构具有确定运动的条件是什么？ （6）在计算平面机构自由度时应注意哪些事项？ （7）杆给具有什么特点？如何确定杆组的级别？ （8）如果确定机构的级别？选择不同原动件对机构的级别有无影响？ 1-2 画出图1-27所示油泵的机构运动简图，并计算其自由度。 1-3 判别图1-28、图1-29所示运动链能否成为机构，并说明理由。如果有复合铰链、局部自由度或虚约束，需一一指出。 1-4 试用低副代替图1-30所示机构中的高副，并说明高副低代的一般方法。

1-5 图1-31所示为一机构的初拟设计方案，试从机构自由度的概念分析其设计是否会理，并提出修改措施。又问，在此初似设计方案中，是否存在复合铰链、局部自由度和虚约束？ 1-6 计算图1-32所示机构的自由度，并在高副低代后，确定机构所含杆组的数目和级别并判断机构的级别。 第1章习题参考答案 1-5 F=0，机构不能运动 F=0，机构不能运动

结构动力学习题解答一二章

第一章 单自由度系统 1、1 总结求单自由度系统固有频率的方法与步骤。 单自由度系统固有频率求法有:牛顿第二定律法、动量距定理法、拉格朗日方程法与能量守恒定理法。 1、 牛顿第二定律法 适用范围:所有的单自由度系统的振动。 解题步骤:(1) 对系统进行受力分析,得到系统所受的合力; (2) 利用牛顿第二定律∑=F x m && ,得到系统的运动微分方程; (3) 求解该方程所对应的特征方程的特征根,得到该系统的固有频率。 2、 动量距定理法 适用范围:绕定轴转动的单自由度系统的振动。 解题步骤:(1) 对系统进行受力分析与动量距分析; (2) 利用动量距定理J ∑=M θ &&,得到系统的运动微分方程; (3) 求解该方程所对应的特征方程的特征根,得到该系统的固有频率。 3、 拉格朗日方程法: 适用范围:所有的单自由度系统的振动。 解题步骤:(1)设系统的广义坐标为θ,写出系统对于坐标θ的动能T 与势能U 的表达式;进一步写求出拉格朗日函数的表达式:L=T-U ; (2)由格朗日方程 θθ ??- ???L L dt )(&=0,得到系统的运动微分方程; (3) 求解该方程所对应的特征方程的特征根,得到该系统的固有频率。 4、 能量守恒定理法 适用范围:所有无阻尼的单自由度保守系统的振动。 解题步骤:(1)对系统进行运动分析、选广义坐标、写出在该坐标下系统的动能T 与势能U 的表达式;进一步写出机械能守恒定理的表达式 T+U=Const (2)将能量守恒定理T+U=Const 对时间求导得零,即 0) (=+dt U T d ,进一步得到系统的运动微分方程; (3) 求解该方程所对应的特征方程的特征根,得到该系统的固有频率。 1、2 叙述用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法与步骤。 用衰减法求单自由度系统阻尼比的方法有两个:衰减曲线法与共振法。 方法一:衰减曲线法。 求解步骤:(1)利用试验测得单自由度系统的衰减振动曲线,并测得周期与相邻波峰与波谷的幅值i A 、1+i A 。 (2)由对数衰减率定义 )ln( 1 +=i i A A δ, 进一步推导有 2 12ζ πζδ-= ,

平面体系的几何组成分析习题解答

第1章绪论（无习题） 第2章平面体系的几何组成分析习题解答 习题2.1是非判断题 (1) 若平面体系的实际自由度为零，则该体系一定为几何不变体系。( ) (2) 若平面体系的计算自由度W=0，则该体系一定为无多余约束的几何不变体系。( ) (3) 若平面体系的计算自由度W＜0，则该体系为有多余约束的几何不变体系。( ) (4) 由三个铰两两相连的三刚片组成几何不变体系且无多余约束。( ) (5) 习题2.1(5) 图所示体系去掉二元体CEF后，剩余部分为简支刚架，所以原体系为无多余约束的几何不变体系。( ) 习题2.1(5)图 (6) 习题2.1(6)(a)图所示体系去掉二元体ABC后，成为习题2.1(6) (b)图，故原体系是几何可变体系。( ) (7) 习题2.1(6)(a)图所示体系去掉二元体EDF后，成为习题2.1(6) (c)图，故原体系是几何可变体系。( ) (a)(b)(c) 习题2.1(6)图 【解】（1）正确。 （2）错误。0 W 是使体系成为几何不变的必要条件而非充分条件。（3）错误。 （4）错误。只有当三个铰不共线时，该题的结论才是正确的。 （5）错误。CEF不是二元体。 （6）错误。ABC不是二元体。 （7）错误。EDF不是二元体。 习题2.2填空 (1) 习题2.2(1)图所示体系为_________体系。

习题2.2(1)图 (2) 习题2.2(2)图所示体系为__________体系。 习题2-2(2)图 (3) 习题 2.2(3)图所示4个体系的多余约束数目分别为_______、________、__________、__________。 习题2.2(3)图 (4) 习题2.2(4)图所示体系的多余约束个数为___________。 习题2.2(4)图 (5) 习题2.2(5)图所示体系的多余约束个数为___________。 习题2.2(5)图 (6) 习题2.2(6)图所示体系为_________体系，有_________个多余约束。 习题2.2(6)图 (7) 习题2.2(7)图所示体系为_________体系，有_________个多余约束。

结构动力学复习 新

结构动力学与稳定复习 1.1 结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？ 答：主要区别表现在：(1) 在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力； (2) 在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3) 动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。 1.2 什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？ 答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度（质点处的基本位移未知量）。 确定动力自由度的目的是：(1) 根据自由度的数目确定所需建立的方程个数（运动方程数=自由度数），自由度不同所用的分析方法也不同；(2) 因为结构的动力响应（动力内力和动位移）与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。 1.3 结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？ 答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。1.4 结构的动力特性一般指什么？ 答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）所确定的、表征结构动力响应特性的量。动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。 1.5 什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？ 答：振动过程的能量耗散称为阻尼。 产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。 阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假

13结构动力学习题

1.1 不计轴向变形，图示体系的振动自由度为2。 1.2 不计轴向变形，图示体系的振动自由度为1。 1.3 不计轴向变形，图示体系的振动自由度为2。 1.4 结构的自振频率不仅与质量和刚度有关，还与干扰力有关。 1.5 单自由度体系，考虑阻尼时，频率变小。 1.6 弹性力与位移反向，惯性力与加速度反向，阻尼力与速度反向。 1.7 如简谐荷载作用在单自由度体系的质点上且沿着振动方向，体系各截面的内力和位移动力系数相同。 1.8 在建立质点振动微分方程时，考虑不考虑质点的重力，对动位移无影响。 1.9 图示体系在简谐荷载作用下，不论频率比如何，动位移y(t) 总是与荷载P(t) 同向。 1.10 多自由度体系自由振动过程中，某一主振型的惯性力不会在其它主振型上做功。 二、单项选择题 2.1 在单自由度体系受迫振动的动位移幅值计算公式中，yst是 A 质量的重力所引起的静位移 B 动荷载的幅值所引起的静位移 C 动荷载引起的动位移 D 质量的重力和动荷载复制所引起的静位移 2.2 无阻尼单自由度体系的自由振动方程：。则质点的振幅y max= 2.3 多自由度振动体系的刚度矩阵和柔度矩阵的关系是 2.4 图示四结构，柱子的刚度、高度相同，横梁刚度为无穷大，质量相同，集中在横梁上。它们的自振频率自左至右分别为ω1，ω2，ω3，ω4，那么它们的关系是

2.5 图示四结构，柱子的刚度、高度相同，横梁刚度为无穷大，质量相同，集中在横梁上。它们的自振频率自左至右分别为ω1，ω2，ω3，ω4，那么它们的关系是 2.6 已知两个自由度体系的质量矩阵为，Y22等于 A －0.5 B 0. 5 C 1 D －0.25 2.7 不计阻尼，不计自重，不考虑杆件的轴向变形，图示体系的自振频率为 2.8 图示四个相同的桁架，只是集中质量m的位置不同，，它们的自振频率自左至右分别为ω1，ω2，ω3，ω4，（忽略阻尼及竖向振动作用，各杆EA为常数），那么它们的关系是 2.9 设ω为结构的自振频率，θ为荷载频率，β为动力系数下列论述正确的是 A ω越大β也越大 B θ越大β也越大 C θ/ω越接近1，β绝对值越大Dθ/ω越大β也越大 2.10 当简谐荷载作用于有阻尼的单自由度体系时，若荷载频率远远大于体系的自振频率时，则此时与动荷载相平衡的主要是

机械设计平面机构自由度习题

一、填空题 [1]决定机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的__________________。 [4]形成运动副的两个构件只能在一个平面内相对转动叫_________________________。 [5]房门的开关运动，是____________________副在接触处所允许的相对转动。 [6]在平面机构中，具有两个约束的运动副是___________副。 [7]由于组成运动副中两构件之间的________________形式不同，运动副分为高副和低副。 [8]两构件之间作________________接触的运动副，叫低副。 [9]5个构件组成同一回转轴线的转动副，则该处共有_____________个转动副。 [10]平面运动副的最大约束数为________，最小约束数为__________。 [11]平面机构中若引入一个高副将带入_________个约束，而引入一个低副将带入_________个约束。 [12]机构具有确定运动的条件是_______________________________________________________________________________ ________________。 [13]机构具有确定运动的条件是__________的数目等于自由度数F（F＞0）。 [14]当机构的原动件数目_______________其自由度时，该机构具有确定的运动。 [15]运动副是指能使两构件之间既保持________________接触。而又能产生一定形式相对运动的_____________。 [16]抽屉的拉出或推进运动，是______________副在接触处所允许的相对移动。 [17]两构件之间作______________或____________接触的运动副，叫高副。 [18]组成机构的要素是__________________和________________。 [19]机构中的复合铰链是指________________________________________________________。 [20]在平面机构中，具有一个约束的运动副是__________副。 [21]两构件之间作面接触的运动副，叫______________。 [22]从机构结构观点来看，任何机构是由_________________，_____________________，_____________________三部分组成。 [23]两构件构成低副后，保留___________个自由度。 [24]机构中的局部自由度是指机构中出现的一种与输出构件运动______________的自由度。 [25]机构中的虚约束是指______________________________________________________________________________。 [26]两构件构成高副后，保留__________个自由度。 [27]回转副的两构件之间，在接触处只允许绕孔的轴心线作相对______________。 [28]通过点、线接触的运动副称为______________。 [29]火车车轮在铁轨上的滚动，属于__________副。 [30]低副的缺点：由于是滑动摩擦，摩擦损失比高副__________，效率____________。 [31]计算自由度应注意的三个方面是__________________、______________和_________________。 [32]作平面运动的构件自由度为____________，机构的自由度为________________________________。 [33]移动副的两构件之间，在接触处只允许按给定方向作相对________________。 [34]带动其他构件_____________的构件，叫原动件。 [35]在原动件的带动下，作确定运动的构件，叫______________。 [36]低副的优点：制造和维修容易，单位面积压力小，承载能力____________。

武汉理工大学《结构动力学》2013年期末试卷及标准答案

武汉理工大学《结构动力学》2013年期末试卷 一、填空题。（11分） 1、右图所示振动体系不计杆件的轴向变形，则 动力自由度数目是 。（3分） 2、单自由度体系只有当阻尼比ξ 1时才会产生振动现象。（ 3、已知结构的自振周期s T 3.0=，阻尼比04.0=ξ，质量m 在0,300==v mm y 的初始条件下开始振动，则至少经过 个周期后振幅可以衰减到mm 1.0以下。（3分） 4、多自由度框架结构顶部刚度和质量突然变 时，自由振动中顶部位移很大的现象称 。（3分） 二、判断以下说法是否正确，对错误的说法加以改正。（6×3分=18分） 1、凡是大小、方向、作用点位置随时间变化的荷载，在结构动力计算中都必须看作动力荷载。（ ） 2、超静定结构体系的动力自由度数目一定等于其超静定次数。（ ） 3、为了避免共振，要错开激励频率和结构固有频率，一般通过改变激励频率来实现。（ ） 4、求冲击荷载作用下结构的反应谱曲线时一般不计阻尼的影响。（ ） 5、求静定的多自由度体系的频率和振型，一般采用刚度法比采用柔度法方便。（ ） 6、用瑞利法时若取重量作用下的静变形曲线为试函数，求得的基频的精度不高。（ ） 三、选择题。（6×3分=18分） 1、对单自由度体系的自由振动，下列说法正确的是（ ） A C 、振幅和初相角仅与初始条件有关 2、图示（a ）、（b A 、b a ωω< B 、∞→EA 时b a ωω≈ C 、0→EA 时b a ωω≈ D 、b a ωω= 3、（1）无阻尼的自由振动 （2）不计阻尼，零初始条件下t P θsin 产生的过渡阶段的振动 （3）有阻尼的自由振动 （4）突加荷载引起的无阻尼强迫振动 A 、（1）（2）（3） B 、（1）（2）（4） C 、（2）（3） D 、（1）（4）

结构动力学习题分析

第九章 结构动力计算 一、是非题 1、结构计算中，大小、方向随时间变化的荷载必须按动荷载考虑。 2、忽略直杆的轴向变形，图示结构的动力自由度为4个。 3、仅在恢复力作用下的振动称为自由振动。 4、单自由度体系其它参数不变，只有刚度EI 增大到原来的2倍，则周期比原来的周期减小1/2。 5、图 a 体 系 的 自 振 频 率 比 图 b 的 小 。 l /2 l /2 l /2 l /2 (a)(b) 6、单 自 由 度 体 系 如 图 ，W =98 .kN ，欲 使 顶 端 产 生 水 平 位 移 ?=001 .m ，需 加 水 平 力 P =16kN ，则 体 系 的 自 振 频 率 ω=-40s 1 。 ? 7、结构在动力荷载作用下，其动内力 与动位移仅与动力荷载的变化规律有关。 8、由于阻尼的存在，任何振动都不会长期继续下去。 9、桁 架 ABC 在 C 结 点 处 有 重 物 W ，杆 重 不 计 ， EA 为 常 数 ，在 C 点 的 竖 向 初 位 移 干 扰 下 ，W 将 作 竖 向 自 由 振 动 。 A C 10、不 计 阻 尼 时 ，图 示 体 系 的 运 动 方 程 为 ： m m X X h EI EI EI EI X X P t 00148242424012312????????????+--????????????=?????? () 二、选择题 1、图 示 体 系 ，质 点 的 运 动 方 程 为 ：

A ．()()()y l P s in m y EI =-77683θ t /； B ．()()m y EI y l P s in /+=19273 θ t ； C ．()()m y EI y l P s in /+=38473θ t ； D ．()()()y l P s in m y EI =-7963θ t / 。 l l 0.50.5 2、在 图 示 结 构 中 ，若 要 使 其 自 振 频 率 ω增 大 ，可 以 A ．增 大 P ； B ．增 大 m ； C ．增 大 E I ； D ．增 大 l 。 l t ) 3、单 自 由 度 体 系 自 由 振 动 的 振 幅 取 决 于 ： A ．初 位 移 ； B ．初 速 度 ； C ．初 位 移 、初 速 度 与 质 量 ； D ．初 位 移 、初 速 度 与 结 构 自 振 频 率 。 4、考 虑 阻 尼 比 不 考 虑 阻 尼 时 结 构 的 自 振 频 率 ： A ．大 ； B ．小 ； C ．相 同 ； D ．不 定 ，取 决 于 阻 尼 性 质 。 5、已 知 一 单 自 由 度 体 系 的 阻 尼 比 ξ=12.，则 该 体 系 自 由 振 动 时 的 位 移 时 程 曲 线 的 形 状 可 能 为 ： D. C. B. A. 6、图 a 所 示 梁 ，梁 重 不 计 ，其 自 振 频 率 () ω=76873 EI ml /；今 在 集 中 质 量 处 添 加 弹 性 支 承 ，如 图 b 所 示 ，则 该 体 系 的 自 振 频 率 ω为 ： A ．() 76873 EI ml k m //+； B ． ()76873EI ml k m //-； C ．()76873 EI ml k m //-； D ． () 76873 EI ml k m //+ 。 l l /2 /2 l l /2 /2(a)(b) 7、图 示 结 构 ，不 计 阻 尼 与 杆 件 质 量 ，若 要 其 发 生 共 振 ，θ 应 等 于 A ． 23k m ； B ．k m 3；

结构动力学雷利法

在8-2节指出广义弹性和几何刚度特性近似的计算弯曲构件临界屈服荷载，而这些刚度是根据所假设的屈曲形状导得的。同时在哪里也已经说明由如此假设形状建立公式一般称作为Rayleigh 法。现在将Rayleigh 法假设形状的概念进一步推广成计算构件震动的近似方法。这个概念的实质是显然的，事实上由单自由度震动频率定义可得 这里k 和m 分别为体系的刚度和质量。直接用此式计算Rayleigh 法震动频率时，代入根据假设形状函数得到的广义刚度k*和广义质量m*即可。虽然可以利用广义坐标的概念近似地确定任意结构的振动频率，但是Rayleigh 创设的另一个观点进行频率分析将是有益的。Rayleigh 法的基本概念为能量守恒原理。如果没有阻尼力消耗的话，在自由振动的体系中的能量应保持常量。考察如图8-5a 所示的无阻尼弹簧-质量体系的自由振动运动。如果适当选取时间坐标原点，位移可以表示为（图8-5b ） 8-5用Rayleigh 法进行震动分析 m k w =() 218-)(x ?

（8-22a ） 而其速度为（图8-5c ） （8-22b ） 这个体系的势能完全由弹簧的应变能表达：（8-23a ）此时质量的动能为（8-23b ） 现在讨论时的情况：从图8-5[或由式（8-23）]清楚可见，此时动能为零， 而势能达到他的最大值：（8-24a ）同样当时间时，势能为零而动能为最大 （8-24b ）因此，如果振动体系中全部能量保持恒定（在无阻尼振动中必须如此），则显然最大动 能必须等于最大势能，Vmax=Tmax ，也即由此可得wt v v sin 0=wt kv kv V 2202sin 212 1 ==wt w v v cos 0= wt w mv v m T 2 2202cos 2121== w t 2/π=20max 2 1kv V =220max 21w mv T =2 20202121 w mv kv =m k w =2w t /π=

计算自由度和体系构造分析例题

基本规律运用 1、求体系的计算自由度W，并对其进行结构分析。 解：混合系：W = (3m + 2j)-(3g + 2h + b) m=1(FGHIJ),j=5(A、B、C、D、E) ,g=0,h=0，b=10（链杆）+6(支杆)=16 W = (3m + 2j)-(3g + 2h + b)=3×1+2×5-16=-3 构造分析：在刚片FGHIJ的基础上增加二元体得到整个体系有多个三个多余约束的几何不变体系。 2、试求图示体系的计算自由度，并进行几何构造分析。 解：（1）求解W 按照刚片系计算： W = 3m - 2h - 3g - b m=9 h=12 g=0 b=0 W = 3m - 2h - 3g - b =3×9-2×12=3 （2）构造分析。如图所示三刚片连接。三铰不共线组成几何不变体系且无多余约束。

3、试求图示体系的计算自由度，并进行几何构造分析。 解：(1)计算W:W = (3m + 2j)-(3g + 2h + b) m=1(FGHIJ),j=5(A、B、C、D、E) ,g=0,h=0，b=10（链杆）+6(支杆)=16 W = (3m + 2j)-(3g + 2h + b)=3×1+2×5-16=-3 (2)结构构造分析 如图示体系内部（先撤除支座及地基）由三个刚片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 用三个瞬铰两两相连，且三个瞬铰在一直线上，为几何瞬变体系。 4、如图所示为三角形ABC及其他链杆所组成体系，试考察BC边上G铰不同位置与体系整体几何特性的关系，给出简要分析过程。 (a) (b) (c) (d)

解：（1）观察图（a）所示体系，△BEG直接与大地固定铰支，可以将B点看做铰结点，则BE，BG为链杆，因此，与大地直接相连的约束多余三根支杆，所以将大地必须看做是一个刚片。BG和CD与GC相连，BE和A支座与△AEF相连，通过“找对家”的思路可以找到如图所示三刚片。G铰位于BC中间时，三虚铰共线，组成瞬变体系。 （2）G铰在B点时，如图（c）所示，B-C-D可以看做直接添加在大地上的二元体，可以与大地看做一个刚片，△AEF看做另一个刚片，两刚片之间通过共线的三根链杆相连，组成瞬变体系。 （3）G铰在C点时，如图（d）所示，△AEF和大地通过四根连杆相连，其中EF、EC、CF不共线，也不全交于一点。因此体系是有一个多余约束的几何不变体系。 因此，G铰由B到C的过程中，提及的几何特性分别为瞬变、瞬变、有一个多余约束的几何不变体系。 5、试求图示体系的计算自由度，并进行几何构造分析。 (a) (b) 解：（1）计算W。 W = 3m - 2h - 3g–b m=5 g=0 h=5 b=4 W = 3m - 2h - 3g–b=3×5-2×5-4=1＞0 该体系缺少一个必要约束为几何可变。 （2）如图（b）所示，取刚片I，II，III，刚片I，III之间通过无穷远处的瞬铰O（1,3）相连，刚片II和III通过铰O（2,3）相连，如果没有铰A ，刚片I和II之

平面体系自由度和约束

平面体系自由度和约束 自由度：所谓体系的自由度，是指该体系运动时，用来确定其位置所需的独立坐标（或参变量）的个数。如果一个体系的自由度大于零，则该体系就是几何可变体系。 （1）点的自由度：平面内一动点A，其位置需用两个坐标x和y来确定，所以一个点在平面内有两个自由度。 1.swf （2）刚片的自由度：一个刚片在平面内运动时，其位置将由其上任一点A的坐标x、y 和过点A的任一直线AB的倾角φ来确定，因此，一个刚片在平面内有三个自由度。 2.swf 约束：约束是指能够减少自由度的装置（又称联系）。减少一个自由度的装置，就称为一个约束（或联系）。 约束有两大类：支座约束和刚片间的约束。 1. 支座约束 （1）滚轴支座：能限制刚片A点在垂直方向移动，但不能限制其水平方向移动和绕A 点的转动，减少了一个自由度，相当于一个约束。 3.swf （2）铰支座：能限制刚片A点在水平方向和竖直方向移动，但不能限制其绕A点的转动，减少了两个自由度，相当于两个约束。 4.swf （3）固定支座：能限制刚片在水平、竖直方向的移动和转动，使刚片的自由度减少为零，相当于三个约束。 5.swf 2. 刚片间的联结约束 （1）单铰约束：联结两个刚片的铰称为单铰。两刚片在平面内独立的自由度个数为六个，用一个铰将刚片Ⅰ、Ⅱ联结起来，对刚片Ⅰ而言，其位置可由A点的坐标x、y和AB 线的倾角φ1来确定，因此其有三个自由度，刚片Ⅱ相对刚片Ⅰ只能绕A点转动，即两刚片间只保留了相对转角φ2，则由刚片Ⅰ、Ⅱ所组成的体系在平面内有四个自由度，则一个单铰约束减少了二个自由度。一个单铰相当于两个约束。 6.swf

（2）复铰约束：用一个铰同时联结三个或三个以上的刚片，则这种铰称为复铰。设其中一刚片可沿x、y向移动和绕某点转动，则其余两刚片都只能绕其转动，因此各减少两个自由度。象这种联结三刚片的复铰相当于两个单铰的作用，由此可见，联结n个刚片的复铰，相当于（n－1）个单铰的作用。 7.swf

结构动力学多自由度线性体系Wilson-θ法程序编写

多自由度线性体系Wilson -θ法程序编写 【摘要】本文主要介绍了通过使用Matlab 软件，Wilson-θ法编写多自由度线性 体系的程序的原理、流程图、具体算例以及使用注意事项。通过该程序可以得到剪切型结构在任意函数荷载作用下各质点的位移函数。 【关键词】Matlab ；多自由度；Wilson-θ法 1.wilson-θ法原理 wilson-θ法中最主要的步骤就是推导由t 时刻的状态求t t ?+时刻的状态的递推公 式，现推导如下： 对τ积分 解出 代入 整理，得 其中 本程序的核心就是对以上公式的循环使用。 {}{}{}{})(t t t t t y y t y y -?+=?++θτθτ t ?=θτ{}{}{}{}{})(22 t t t t t t y y t y y y -?++=?++θτθττ{}{}{}{}{}{})(623 2t t t t t t t y y t y y y y -?+++=?++θτ θτττ{}{}{}{}{})(21 t t t t t t t y y t y t y y -?+?+=?+?+θθθθ{}{}{}{}{})2(6 )(2 t t t t t t t y y t y t y y +?+?+=?+?+θθθθ{}{}{}{}{}t t t t t t t y y t y y t y 26 )()(62 -?--?=?+?+θθθθ{}{}{}{}{}t t t t t t t y t y y y t y 2 2)(3?---?=?+?+θθθθ[]{}[]{}[]{}{}t t t t t t t t P y k y C y m ?+?+?+?+=++θθθθ []{}[]{}[]{}{}P y k y C y m =++ []{}[] R y k t t =?+θ[] [][][] c t m t k k ?+?+ =θθ3 )(6 2 []{}{}{}[]{}{}{}[]{}{}{})223()26)(6()(2t t t t t t t t t t y t y y t c y y t y t m P P P R ?++?++?+?+-+=?+θθθθθ{}{}{}{}) (t t t t t t P P P P -+=?+?+θθ

2-3 平面杆件体系的计算自由度

§2-3 平面杆件体系的计算自由度 1. 教学要求 掌握实际自由度和计算自由度的计算方法。 2. 本节目录 ?1. 实际自由度S和计算自由度W ?2. 部件和约束 ?3. 平面体系的计算自由度W的求法(1) ?4. 平面体系的计算自由度W的求法(2) ?5. 思考与讨论 3. 参考章节 1.《结构力学教程(Ⅰ)》，pp.28-32。 2. §2-1 基本概念 2.3.1 实际自由度S 和计算自由度W S= （各部件自由度总和a）－（非多余约束数总和c）--- (2-1) S：体系是由部件加上约束组成的。首先假设体系中各个约束都不存在，在此情况下计算各部件的自由度数的总和为a；其次在全部约束中确定非多余约束数c；最后将两个数相减得出体系的自由度数s。 图2-32S = 1×１－１= 0， 非多余约束数 c = 2 ， 多余约束数n = １， 但是复杂情况难以找全多余约束。 在复杂体系中很难分清全部约束中哪些是多余约束和非多余约束。因此引入计算自由度的概念W。

W = （各部件自由度总和 a ）－ （全部约束数总和 d ） --- (2-2) 由于全部约束数d 与非多余约束c 的差数是多余约束n ，则 n W S =- （2－3） 对于自由度S 与多余约束都不是负数即：0,0≥≥n S ，因此： W S ≥， W n -≥ 即W 是自由度数S 的下限，而－W 则是多余约束数n 的下限。 2.3.2 部件和约束 1. 部件可以是点，也可以是刚片 在几何构造分析时要注意刚片内部是否有多余约束。 图2-32a 图2-32b 图2-32c 图2-32d 一根链杆 一个铰 一个刚结 n = 0 n = 1 n = 2 n = 3 在计算体系的约束总数时也应当考虑刚片内部的多余约束。 2. 约束可分为单约束和复约束 在几何构造分析时要将复约束简化为几个单约束。 图2-33a 图2-33b (图中复铰相当两个单铰)

机械原理题库第一章、机构结构分析

00002、具有、、等三个特征的构件组合体称为机器。 00003、机器是由、、所组成的。 00004、机器和机构的主要区别在于。 00005、从机构结构观点来看，任何机构是由三部分组成。 00006、运动副元素是指。 00007、构件的自由度是指；机构的自由度是指。 00008、两构件之间以线接触所组成的平面运动副，称为副，它产生个约束，而保留了个自由度。 00009、机构中的运动副是指。 00010、机构具有确定的相对运动条件是原动件数机构的自由度。 00011、在平面机构中若引入一个高副将引入______个约束，而引入一个低副将引入_____个约束，构件数、约束数与机构自由度的关系是。 00012、平面运动副的最大约束数为，最小约束数为。 00013、当两构件构成运动副后，仍需保证能产生一定的相对运动，故在平面机构中，每个运动副引入的约束至多为，至少为。 00014、 00015、计算机机构自由度的目的是 __________________________________________________________。 00016、在平面机构中，具有两个约束的运动副是副，具有一个约束的运动副是副。 00017、计算平面机构自由度的公式为F ，应用此公式时应注意判断：(A)

铰链，(B) 自由度，(C) 约束。 00018、机构中的复合铰链是指；局部自由度是指；虚约束是指。 00019、划分机构的杆组时应先按的杆组级别考虑，机构的级别按杆组中的级别确定。 00020、机构运动简图是的简单图形。 00021、在图示平面运动链中，若构件1为机架，构件5为原动件，则成为级机构；若以构件2为机架，3为原动件，则成为级机构；若以构件4为机架，5为原动件，则成为级机构。 00022、机器中独立运动的单元体，称为零件。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( ) 00023、具有局部自由度和虚约束的机构，在计算机构的自由度时，应当首先除去局部自由度和虚约束。( ) 00024、机构中的虚约束，如果制造、安装精度不够时，会成为真约束。( ) 00025、任何具有确定运动的机构中，除机架、原动件及其相连的运动副以外的从动件系统的自由度都等于零。( ) 00026、六个构件组成同一回转轴线的转动副，则该处共有三个转动副。- - - - - - - - ( ) 00027、当机构的自由度F0，且等于原动件数，则该机构即具有确定的相对运动。 ( ) 00028、运动链要成为机构，必须使运动链中原动件数目大于或等于自由度。- - - - ( )

1 平面机构运动简图和自由度 习题答案

习 题 1-1至1-4 绘制图示机构的机构运动简图。 题1-1图 颚式破碎机 题1-2图 柱塞泵 题1-3图 旋转式水泵 O 1 O 2 A B 1 2 3 4 A B C D 1 2 3 4 A B C D 1 2 3 4 A B C D 1 2 3 4 C D

题1-4图 冲压机构 1-5至1-10 指出机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，并计算各机构的自由度。 题1-6图 解：构件3、4、5在D 处形成一个复合铰链，没有局部自由度和虚约束。 32352701L H F n P P =--=?-?-= 解：没有复合铰链、局部自由度和虚约束。 323921301L H F n P P =--=?-?-= 题1-5图 题1-5图 5 6 A B C D E F O 1 O 2 D F 1 2 3 4 5 6 E G F E G

题1-7图 题1-8图 题1-9图 题1-10图 解：A 处为复合铰链，没有局部自由度和虚约束。 323721001L H F n P P =--=?-?-= 解：A 处为复合铰链，没有局部自由度和虚约束。 323721001L H F n P P =--=?-?-= 解：B 处为局部自由度，没有复合铰链和虚约束。 32352710L H F n P P =--=?-?-= 解：C 处为复合铰链，E 处为局部自由度，没有虚约束。 32372912L H F n P P =--=?-?-= A B C D E I F G H A D B E C A E B C D G F

1-11图示为一手动冲床机构，试绘制其机构运动简图，并计算自由度。试分析该方案是否可行；如果不可行，给出修改方案。 答：此方案自由度为0，不可行。改进方案如图所示： 题1-11图手动冲床 手动冲床运动简图手动冲床改进方案