Добавил:
iliya.0727@yandex.ru Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / А.А. Борисевич. Строительная механика. Минск, 2009

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
23.01.2020
Размер:
10.86 Mб
Скачать
о 2 l
Tmax = — j m(х)У2(х)^х . 2 0

тенциальной энергии деформации упругой системы и кинетической энергии движущихся масс системы остается постоянной величиной:

U + T = C = const.

В тот момент, когда скорость колеблющейся системы имеет ну­ левое значение, ее перемещения достигают амплитудных значений.

И наоборот, когда колеблющаяся система проходит положение рав­

новесия и перемещения равны нулю, скорость движущихся масс

максимальна. Так как потенциальная энергия деформации пропор­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

циональна квадрату перемещений, а кинетическая энергия - квад­

рату скоростей, то при прохождении положения равновесия:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

U = 0

 

T = Tmax = C

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а при амплитудном отклонении от положения равновесия:

 

 

 

 

 

U = Umax = C,

 

T = 0.

Б

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tmax = U max

 

 

 

 

 

(22 5)

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

Рассмотрим балку с п г нн й массой т ( х ), совершающую сво­

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

бодные гармонические п перечные колебания с собственной часто­

той о по собственной формеоу (х ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

+ n ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

у(х, t) = у ( х ^ п ^

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скор сть движущихся масс будет определяться выражением

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ду(х, t)

= о у(х) cos(o t + n) .

 

 

 

 

 

о dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Амплитудноеп

значение кинетической энергии при cos(® t + n) = 1

буд т равно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

651

Потенциальная энергия деформации получит максимальное, ам­ плитудное значение при sin(® t + rj) = 1. Исходя из определения

потенциальной энергии деформации и используя дифференциаль­ ное уравнение изгиба балки

 

 

 

 

 

E J (х)у"(х) = M

(х),

 

 

У

будем иметь:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j E J (х)[у"(х)]2й х .

 

 

 

Следовательно, на основании (22.5) имеем:

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о 2 0

 

р

й

 

(22.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мацииможно выразить через

 

 

 

 

 

 

о

 

Потенциальную энергию деф

действительную работу внешних сил:

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

1

\M 2(х)йх = 1

 

 

 

 

 

U max = 2 j

 

ET( \

2

jj q(х)у( х)й х ,

 

 

 

 

з

т2 0 ET(х)

2 0

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где q(х) - предполагаемая, приближенно задаваемая инерци­

 

п

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

нная нагрузка;

 

 

 

 

 

 

 

у( х) - вызванная этой нагрузкой линия прогибов стержня.

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

Тогда формула (22.6) примет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j q(х)у( х)йх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о 2

0

 

 

 

 

 

(22.7)

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

652

Формулы (22.6) и (22.7) позволяют вычислять частоты свобод­ ных колебаний в стержнях переменного поперечного сечения с не­ равномерно распределенной массой. Формулы являются точными,

если форма колебаний (линия прогибов) стержня, закон распреде­

ления масс, инерционная нагрузка и условия опирания стержня

 

У

(граничные условия) соответствуют друг другу. В противном слу­

чае эти формулы являются приближенными.

Т

Очень часто для оценки основной собственной частоты инерци­ онную нагрузку считают равной весу масс q(х) = g m (х) , прикла­

дывают ее в направлении движения масс, а форму колебаний при­ нимают в виде статической линии прогибов, вызванной такой на­

грузкой. Вычисление определенных интегралов в полученных фор­

мулах также можно выполнить приближенно любым численным

методом (прямоугольников, трапеций, Симпсона и др.)Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

степеней

 

 

22.2. Замена распределенных масс сосредоточеннымиБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ми

 

свободы заменяет­

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

Система с бесконечно большим ч слом

 

ся системой с одной или нескольк

степенями свободы. Для этого

распределенные по длине стержней массы заменяются эквивалентными

сосредоточенными массами. Чем

больше

сосредоточенных масс

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

заменяет распределенную массу, тем ближе будут вычисленные

приближенные

значения

динамических параметров к их точным,

действительным

 

ям.о

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

Замена распределенных масс сосредоточенными может быть выпол­

нена двумя способами. Предварительно элементы системы, несущие

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

распределенные массы, разбиваются на требуемое число участков.

 

п

 

 

амены масс заключается в том, что масса каж­

 

Первый сп с б

дого участка с средотачивается в его центре масс. В результате

вместо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рас ределенной массы получаем несколько сосредоточен­

ных масс, количество которых равно количеству участков.

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Второй способ состоит в том, что суммарная масса участка рас­ пр д ля тся по узловым точкам на его границе. Так, для участка стержневого элемента масса распределяется по закону рычага в две сосредоточенные массы, располагаемые на его концах.

Рассмотрим однопролетную балку пролетом L , несущую равномер­ но распределенную массу интенсивностью т (рис. 22.1,а). Разбив про­

653

лет балки на четыре участка равной длины, и сосредоточив массы уча­ стков в центрах участков, получим систему с четырьмя степенями сво­ боды (рис. 22.1,б). Применив второй способ и сосредоточив массы на границах участков, получим систему с пятью сосредоточенными масса­

ми, но только с тремя степенями свободы (рис. 22.1,в).

 

У

 

Цэ-сИ

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Т

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

mL/4

 

mL/4

 

 

mL/4

 

Н

 

 

 

 

 

 

mL/4

 

 

 

и - * -

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

* " 2 ,

 

 

в)

mL/8

 

mL/4

 

 

 

 

mL/4

mL/8

 

 

и -

 

 

 

 

 

 

mL/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тт.

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

L/4

 

L/4

 

 

L/4

 

 

 

 

 

 

L/4

 

 

 

 

 

 

жно

 

 

 

 

 

 

 

 

т

Рис. 22.1

 

 

 

 

 

Аналогичным образ м м

 

 

 

 

систему с большим количеством

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сосредоточенных масс замени ь системой с гораздо меньшим коли­

чеством сосредоточенных масс. То же можно сделать и с системой,

несущей одновременно распределенные и сосредоточенные массы.

 

22.3. Специальные численные методы решения

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

общего

частичнзй проблемы собственных колебаний

 

 

вида позволяет для задачи вида (20.14) найти наибольшее

Рассматриваемыйо

в курсах по методам вычислений степенной

м тод вычисления наибольшего по модулю собственного значения

и соотв тствующего собственного вектора квадратной матрицы

собственное значение

Xmax и тем самым вычислить наименьшую

Рсобственную частоту

 

®m;n : V1 / Лпах и соответствующую собст-

венную форму колебаний.

654

Обратный степенной метод со сдвигом, также рассматриваемый в курсах по методам вычислений, позволяет для заданной матрицы найти собственное значение, ближайшее к заданному числу, и соот­ ветствующий собственный вектор. Этот метод позволяет выделить требуемое количество низших собственных значений и найти их вместе с соответствующими собственными векторами. Небольшая модификация этого метода допускает его применение для решения обобщенной проблемы собственных значений вида (20.12) для двух

симметричных матриц. Рассмотрим эту модификацию.

 

 

 

У

 

Перепишем систему (20.12) в виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R X

= о 2M X .

 

Т

 

 

 

 

Н

(22.8)

 

Зададим число

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соо, и будем искать собственную частоту

о

, бли­

жайшую к этому заданному числу, и соответствующую собственную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

форму (соответствующий собственный вектор X ) свободных колеба-

ний. Вычтем из обеих частей

 

 

 

 

 

2

 

^

 

 

(22.8) произведение ®оM X

:

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

(R - 02M )X = ( о 2

-о02)M X .

 

 

 

 

 

Обозначив

 

 

равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

= ¥■>

 

 

(22.9)

 

 

 

(R - ® 2M ) =

K ; (о 2 -®0Ь

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

получим

 

обобщенную проблему на собственные значения

для двух симметричныхиматриц:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

K X = у/M X .

 

(22.10)

 

 

новую

 

 

 

 

Дал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мето­

 

, в соответствии с технологией обратного степенного

 

да, можнопорганизовать следующий итерационный процесс (с учетом

симм тричности матрицы внешней жесткости).

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

1. Разложить симметричную матрицу K на три множителя:

 

 

 

 

 

 

K = LTDL .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

655

Провести анализ элементов диагональной матрицы D . Количе­ ство ее отрицательных элементов равно количеству собственных частот, меньших заданного числа о 0.

Не проводя последующих итераций, а только изменяя задавае­

мое число о 0, формируя новую матрицу K , разлагая ее на множи­

тели и анализируя количество отрицательных элементов на главной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

диагонали сомножителя D , можно отделить требуемое количество

собственных частот на требуемом участке спектра. В этом и состо­

ит метод дихотомии спектра собственных частот.

Н

У

 

 

2. Задать начальное приближение для

искомого собственного

значения

/ (k) и начальное

приближение

Б

 

 

для соответствующего

собственного вектора X (k) .

 

й

 

 

 

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить вспомогательный вектор:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y(k) = M X (k).

 

 

 

 

4.

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

из

Найти в новом приближен собственный вектор X (k+1)

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

решения системы линейныхиалгебраических уравнений с

 

 

 

 

 

 

мат

ицей коэффициентов:

 

 

 

 

 

 

факторизованн й

 

 

 

 

 

 

 

 

и

L T D L X (k+1) = Y(k) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Вычислить в новом приближении искомое собственное зна­

чение,

 

 

уя скалярные произведения:

 

 

 

 

 

 

исполь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

з

/ (k+1)

X (k)X (k)

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

X (k)X (k+1)

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нормировать найденный вектор X (k+1).

 

 

 

6.

 

 

 

Если нормирование векторов производится к единичной длине,

то в предыдущей формуле числитель заведомо равен единице.

 

7.

При выполнении условий завершения процесса итераций вы­

вести результаты:

656

/ (k+1) и X (k+1^

иначе принять:

/ (k) - / (k+1) и X (k) = X (k+1) ,

и повторить вычисления с пункта 3.

По завершении итераций искомая собственная частота вычисля­

ется по формуле:

 

 

 

 

У

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

(22.11)

Найденный собственный вектор X

 

Н

 

определяет соответствую­

щую собственную форму свободных

 

.

 

 

Матрица масс может быть как полож

 

Б

 

 

тельно определенной, так

и неотрицательно определенной.

ца жесткости после сдвига

(матрица K) может быть знаконеоп еделенной,колебанийно не должна полу­

читься вырожденной. Если мат

ца K оказалась вырожденной, то

 

и

 

 

 

заданное число а>0 равно дн й из собственных частот.

 

 

Приведенный алгори м вычисленияМатр

собственного значения,

ближайшего к заданному числу (параметру сдвига), и соответст­

вующего собственного векоралегко реализуется на компьютере

на основе любого ятыка программирования и известного про­

граммного обеспечен я. Он позволяет вычислять собственные

частоты и с бственныеиформы свободных колебаний, описывае­

мых уравнениями вида (20.12) или (22.8). Отметим, что разложе­

з

 

 

 

 

 

ние матрицы K на множители может быть также выполнено лю­

бым численнымометодом, даже без учета ее симметричности.

 

В современных проектно-вычислительных комплексах методика

обратногопстепенного метода применяется для одновременных ите­

раций н скольких (в принципе, произвольного количества k ) соб­

е

 

 

 

 

 

ственных частот и соответствующих собственных форм. Учитывае­

мое в практических расчетах количество собственных форм обычно

Рменьше динамической степени свободы деформируемой системы и

значительно меньше ее общей степени свободы (k << n ) . По срав-

657

нению с другими методами частичного решения первой задачи ди­ намики сооружений метод одновременных итераций обладает луч­ шей обусловленностью. Он позволяет получать искомые частоты и формы колебаний с заданной точностью. Рассмотрим метод одно­ временных итераций более подробно.

Предположим, что для системы (22.8) порядка n требуется найти k

младших собственных частот, образующих диагональную матрицу

У

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

Q -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

порядка k , и k

соответствующих собственных форм, образующих

прямоугольную матрицу размерности ( n ■k ):

Н

 

Б

 

 

 

 

х - [ X

...

 

].

 

 

Подставим их все в систему (22.8)

 

й

 

 

 

выраз

м ее в таком виде:

 

 

 

 

 

и

 

(22.12)

 

 

R X - M X Q 2.

 

Если бы значения

 

р

 

 

 

 

k иск мых частот и соответствующих собст­

венных векторов

быоизвестны,

то система (22.12) была бы

удовлетворена тождественно. Если же задать их значения прибли­

женно и

 

т

 

 

 

 

 

 

 

ть только в правую часть (22.12), то получим сис­

тему уравнений, к торая позволит уточнить искомые собственные

 

 

были

 

формы (с бственные векторы). Итак, обозначив матрицу уточняемых

 

 

з

 

собственных вект ров через Y , имеем для ее определения систему:

 

подстав

(22.13)

 

п

RY(i) - P(i-1),Pi-1) - MX(i-j)Q2-D,

 

 

 

гдеi - номер итерационного приближения.

 

 

Система (22.13) эквивалентна системе (22.12) и представляет со­

бой k систем линейных алгебраических уравнений с одной и той

Р

 

 

n (матрицей

же симметричной матрицей коэффициентов порядка

658

внешней жесткости) и k правыми частями, зависящими от при-

ближенных значений квадратов искомых собственных частот Q 2- 1)

и собственных форм X (г-- 1) . Ее решением будет матрица Y(i)

уточненных собственных форм, или собственных векторов.

Затем можно было бы найти уточненные значения искомых соб­

 

 

 

 

Т

ственных частот, применив для этого отношение Релея, которое

можно получить из системы (22.8), подставив в него уточняемые

 

 

 

Н

У

собственные векторы Y j , составляющие матрицу Y(i):

 

 

 

( j -

Б

(22.14)

 

 

1,2,...,k ),

где

 

й

 

 

j - номер вычисляемой собственной частоты и соответст­

ределенной форме (а не все векто ысходились к одной форме с низ­

i

вующей формы колебаний;

 

 

 

 

- номер итерационного пр бл жен я.

 

 

 

Однако чтобы в процессе ите ац й каждый вектор сходился к оп­

 

 

 

 

всего

 

шей частотой), весь набор иск мых с бственных векторов необходимо

привести к взаимно ор ог нальнрму виду. Это можно выполнить раз­

 

 

и

 

п ступают следующим образом.

личными методами. Но чаще

С помощью

тер руемых собственных векторов, образующих

 

з

 

 

 

прямоугольную матртцу Y>-), производят замену переменных в

 

вектор

 

 

 

 

системе (22.8):

 

 

 

 

 

где

 

 

X

- Y Z ,

(22.15)

 

новых переменных порядка k .

 

Р

Z -

 

 

 

 

 

 

Y T , переходят к редуцированной

Затпм, умножив (22.8) слева на

обобщ нной проблеме собственных значений:

 

 

Y TR Y Z - O>2Y TYMYZ, или R Z - о 2M Z ,

(22.16)

где матрицы R и M уже имеют порядок k .

 

659

Если бы векторы, составляющие прямоугольную матрицу Y , были бы точными собственными векторами, то они удовлетворяли

бы редуцированной системе (22.16). Причем матрицы R и M были бы диагональными, а так они получаются заполненными, симмет­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

ричными, и только в процессе итераций будут приближаться к диа­

гональным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как порядок редуцированной обобщенной проблемы собст­

венных значений (22.16) намного меньше исходного числа степеней

свободы (k << n) , для ее решения применяют стандартные методы

решения полной проблемы собственных значений, например, метод

вращений, или метод Якоби. Решив полную проблему собственныхТ

значений (22.16), получают матрицу уточненных частот

) и мат­

рицу ортогональных и нормированных векторов Z (Н) порядка k ,

от которых необходимо вернуться к первоначальным переменным

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

порядка n . Сделать это можно по формулам вида (22.15):

 

 

 

 

 

 

 

X (i) -

 

й

(22.17)

 

 

 

 

 

 

Y(i)Z (i) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

Итак, окончательно алг итм метода одновременных итераций

(его еще называют ме

д м и

 

в подпространстве, так как

 

 

 

 

 

 

ераций

 

 

 

 

в процессе итераций совершае ся попеременный переход от задач

большой размернос

n ок задачам существенно меньшей размер­

ности k ) состо т следующихт

этапов.

 

и пробных чисел Q(i-1) .

 

1.

Задать набор пробных векторов X ( ^

 

2.

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

С ставить систему уравнений (22.13) порядка n и найти ее k

решений,

 

з

 

 

 

 

 

 

 

есть вычислить прямоугольную матрицу Y (i) .

 

 

3.

Перейти к редуцированной проблеме собственных значений (22.16)

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

порядка k , то есть составить матрицы R

 

и M , решить для них

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

полную проблему собственных значений и вычислить в новом при­

ближении

искомые собственные частоты

Q(i) и набор вспомога­

тельных ортогональных векторов Z (г) .

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

660