
книги / Некоторые обобщения теории расчета колебаний с учетом демпфирования
..pdf^£ f y ty iffx jc o s z a tx d T -
- |
~C0s*zjcostdrj* |
d x -
24 |
4 |
(52) |
|
Подставляя (51) и (52) в (49) и (50) соответственно будем иметь
6A. z &Р*а-tepstbp |
(я) |
2лр |
|
ЛЯ= }л£с(1рг-€Я{1О03У |
(Я) |
2 л а р |
|
Подставляя (53) и (54) в разложения (8), найдем в первом приб лижении
(SS)
0 =/7'/■£«-
Пользуясь этими формулами .можно построить резонансную кривую коле баний любой конкретной колебательной системы,обладающей диссипатив ными свойствами, характеризующимися соответствующим логарифмичес ким декрементом или их суммой при наличии в системе различных по происхождению'источников энергетических потерь.
Положив в формулах ( 55 ) £д, zff, можно построить огибающую
. виброграммы затухающих изгибных колебаний системы с одной степенью свободы.
Рассмотрим.свобопиое затухание колебания груза на конце кон сольного дюралевого стержня круглого поперечного сечения с разме рами =235мм, cL =16мм. Пренебрегая гистерезисными потерями в материале, считаем, что все демпфирование обусловлено потерей энергии в заделку. Экспериментальную зависимость логарифмического декремента колебаний от амплитуды максимальных относительных де формаций, полученную в результате обработки виброграммы свободных
затухающих колебаний на участке |
3 0 - /00ММг можно аппрокси |
||||
мировать линейной зависимостью |
|
|
|
||
|
|
**•«> -' ; |
( s j ~ , |
|
|
Учитывая, что |
собственная частота |
колебаний |
груза p = 2 II* 'с i |
||
|
|
-/3 ./8 а г |
|
|
|
|
|
__________ гт & ю '3 |
|
|
|
|
а |
~ /2.7f1r /0~3 \ |
З&МГ9* |
\ |
|
|
|
1 ~ а Г - * О |
е |
- / |
|
На основании |
этой |
форцулы составлена таблица |
I, где приведены |
расчетные и экспериментальные значения амплитуд затухаюпих колег
баний, |
наушная с момента начала |
колебаний при |
t |
=0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица I |
|
|
& |
0_____ I |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
б |
7 |
6 |
9 |
10 |
|
|
3.256 |
3,02 |
2.81 |
2,63' 2,44 |
2,77 |
2,15 |
2,00 |
1,87 |
1,73 |
1,66 |
||
Н & |
|
3 |
2,79 |
2,60 |
2,43 |
2,27 |
2,13 |
1,9911,£77 |
1,76 |
1,665 |
Колебания механических систем с распределенными параметрами. В качестве примера колебаний системы с распределенными па
раметрами, рассмотрим поперечные колебания бални постоянного се чения, дифференциальное уравнение вынужденных колебаний, которой с учетом демпфирования можно записать в виде / I /
|
|
£$ё*[^(§х*)]~ |
СО$Р* * |
(S6) |
|
где |
- |
иэгибная жесткость поперечного сечения балки; |
|||
U/X, t ) - |
прогиб балки в любой момент в любом сечении балки |
||||
|
|
на расстоянии |
х от начала координат |
(ось коорди |
|
нат X |
направлена вдоль |
оси балки); т |
- масса единицы длины |
||
балки; |
<5 |
- малый параметр; |
~ |
|
некоторый функционал, учитывавший потери энергии в колебательной
системе. Присутствие |
в нем малого параметра £ |
в виде множи |
|||||
теля указывает на слабое возмущение |
в колебании, |
вызванное поте |
|||||
рями энергии; |
щ |
- амплитуда воэмушаюшей равномерно распределен |
|||||
ной нагрузки, |
где |
£ |
указывает на возмущение того же порядка |
||||
малости, что |
и диссипация энергии; |
р |
-круговая частота |
внеш |
|||
ней воэмушаюшей силы.. |
|
уоавнения ( 56 |
|
||||
будем искать |
решение слаболинейного |
) ме |
тодами нелинейной механики, основанными на асимптотических разложе
ниях по степени малого параметра прогиба |
, частоты |
||||||
колебаний |
се* |
и сдвига фаз |
Ц/ |
: |
|
|
|
|
u (x , t ) = a ip & jm B + £и,(х $ |
+ € *Ut (х>у + |
|
||||
|
р г - со г +£А,+6гАг + .. . |
|
|
( 5 7 ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
? * Ф > * * 9 ,* 6 * К * " > > |
|
|
|
|||
где |
а - |
амплитуда колебаний. |
и ,{Х ,£ )f |
ц г ( х ,6 ) |
|
||
При этом предполагается, что |
и т.д . |
||||||
не |
содержит главных гармоник. |
|
|
|
|
||
|
Подставляя разложения ( |
5 7 |
) |
в уравнение ( |
56 ) и |
приравнивая к нулю множители при одинаковых степенях малого пара-
метра <5 , вместо уравнения ( S6 ) получим систему следующих уравнений:
|
d ty fx ) |
|
|
|
|
|
(SB) |
|
|
Е 7 d z * |
- |
/ t t c o t y x j B# |
|||||
&Ш * |
* д и , - m A ,d ^ x jc o s ff - |
|||||||
д&г |
|
|
|
|
|
|||
|
|
у & |
»- |
в |
|
|
•* |
|
- f m |
( 0 - f o ) + |
' f c |
|
t [ ф |
( J p , |
|
<2, m |
f f ) j ~ o ; |
Г 7 |
г |
0 |
i |
|
г/«Л |
гк |
- |
|
£ S j Z 4 + /Ttco |
+ /»Agj p |
|
|
|||||
-* tA i tf> (x)aca$0 * |
|
£ f f l x , 0 } |
- |
|||||
- t y s t o ( * - * • ) ] * о |
|
|
|
(SO ) |
rjie |
Y ( x , e ) |
- |
функция, |
уточняющая учет рассеяния |
энергии |
||||
в системе во втором приближении, |
|
|
|
||||||
|
0 * ео-6 + ф . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ставя перед собой цель ограничиться решением поставленной |
зада |
||||||||
чи в первом приближении, |
в дальнейшем рассмотрим |
решение |
нашей |
||||||
задачи |
в нулевом приближении, |
используя уравнение |
( SB ) , а |
||||||
затем используемого для получения интересуюлего нас решения. |
|||||||||
Обозначив |
• |
_ |
.П и |
_ 4 |
|
|
|||
|
|
согт |
си*> г f |
|
|
|
|||
|
|
f 7 |
|
f j f |
|
|
’ > |
|
М |
уравнение ( SB |
) перепишем в |
виде |
|
|
л » , * , . #
|
|
- 23 |
- |
|
Общим решением уравнения { 62 |
)» как известно,будет |
|
||
|
ф (Х ) = Cl (.CosXX tc /ix x j + Сг (cosKX-c/lMX) г |
|
||
|
|
+Сз (sutf(X +shKX) +Cif (s o v c x -s h x x ) , |
(ез) |
|
где |
C , |
С* |
- в каждом частном случае могут |
|
быть определены из условий на концах балки. |
|
|||
В случае балки на двух опорах с |
парнирндо опиранием |
|
•> |
( * (X ,U |
° |
' |
}) |
( ? 1х>) ы |
0 |
■> |
7) 1 & Р ) *0 ( d x z /х*о
(64) I
I
Из первых двух условий |
( £4 ) |
C,‘ C t * 0 |
| а из двух |
других условий находим |
С$ * С) |
и |
|
|
Sin к£ *о , |
|
(е Я |
которое является уравнением частоты для рассматриваемого частно го случая балки на шарнирных опорах» Корнями уравнения ( 6 6 ) будут
КС* *> 2Л, ЗЛ |
(66) |
Тогда на основании ( 6 1 ) круговые частоты колебаний будут
СО, |
( 67) |
а частота любого вида колебаний определяется по формуле
оЛт _ JU) г я - г?~.
- 2 4 -
Итак, ревете уравнения нулевого приближения запишем в виде
и • a tftxjeo sB |
( 68) |
Для реяения задачи в первом приближении введем в рассмотрение уравнение ( S9 ) .
Пользуясь принципом энергетического баланса, по которому изменение энергии колеблющейся системы за цикл равно нулю, пом
ножим уравнение ( S9 |
) один раз на |
tf(x)ju!0c£retff |
, |
а |
|
второй на |
(ffxjcos0dxd0 |
и проинтегрируем полученные |
|||
уравнения |
по длине стержня и по плошади ( т .е . по объему) |
за |
один |
цикл. Учитывая при этом, что площадь,входя во все члени уравне
ния, сократится', а |
также то, что |
и з-за отсутствия |
в функции |
главных гармоник |
|
|
|
/ |
* |
|
|
j> [ [ £ 7 0 4 + mceJ*§f*] |
tf f x J s£n6 d x d 0 - o |
|
|
о |
|
|
|
€ |
|
|
|
|
+ m u S & iJ t/W < 0 S 0 d x d & ~ O |
, |
получимгяе
J J f - aA,nuf(X)6DS0 - QCOS(0- <fc) ; oc l
a, cos0j]Jffx)sM dxdff*0 |
(69) |
b e
JJ j -aA,mif(x)cxB - pc0s{0-poJ +
оо '
Тогда искомые |
величины |
Sirup, и |
4 , |
определятся |
соответствен*-, |
из уравнений ( |
09 ) и |
( М у. |
|
|
|
|
£ |
|
|
£ |
|
s£np0 *C л |
$ |
, |
/ |
й/ с о зв)]' |
|
» (p (x/st'n & d xd 0 j |
|
|
(?1) |
3 f f i i x ’A м в)1'
tf(xjc&e<ixde - яраяfaу ytxjdxl.
(П)
Из анализа уравнения ( S3 ) следует, что в соответствии с интерпретацией, отраженной формулами ( 42 ) и ( 43 ), функция, входящая в формулы ( 7! ) и ( 72 ) , представляет собой не что иное, как "момент внутреннего трения" fits . т .е .
a, cosffj = Ms 3
= f j[ t§ & (Y*2cos&-cos*9)a<&>J
Учитывая, что
2co$e-cos*&)$£nffd&- 3
t§ |
2co*e.~cos2ff)cos0d& - -2 л |
формулы { 7/ ) и ( 7 2 ) могут быть лродетавлонм в ви^
Подставляя ( |
74 ) в |
ряд формул ( S 7 ) и ограничиваясь первым |
приближением, |
будем |
^шеть |
fjl J я / - |
£ |
3 |
<23 zl)](f>{x)dx - 6JtQC0Spof<p(X)dz |
|
1Ш/ |
|
|
co**a./n£<p*txjdx |
|
С помошью формул |
( ?•? |
) и ( |
) может быть построена |
|
Амплитудно-частотная резонансная кривая поперечных колебаний |
||||
рассматриваемой балки. |
|
|
||
До сих пор |
в изложенных выше выкладках мы считали, что |
|||
декремент колебаний (или составляющая суммы декрементов ) не |
||||
зависит от |
гистерезисных потерь |
в материале, которые, как пра |
вило , являются функцией амплитуды циклической деформации мате |
|
||||
риала пружины. В этом случае мы имели право выносить з а знак |
|
||||
интеграла |
(Гг |
, как независящий от геометрического положения |
|
||
элементарного |
объёма циклически деформируемо го материала пружины. |
||||
В том случае, |
когда общий декремент представляет собой сумму |
|
|||
где |
djf |
- конструкционный логарифмический декремент колебаний |
за |
||
Счет конструкционного рассеяния энергий (потери в сочленениях); |
|
||||
tfa ~ декремент за счет |
аэродинамических потерь в обтекающей |
сре |
|||
де и |
£ г |
- |
декремент за счет гистерезисных потерь, |
|
|
|
|
|
& = осf a |
= |
|
( |
- |
некоторые |
коэффициенты), |
|
||||
выражений типа ( |
5{ |
) |
и |
( S2 |
) в соответствии |
с ( 43 |
||
и с учетом ( |
76, 7? |
) t |
должны быть записаны так: |
|
||||
е _ |
|
|
|
|
|
|
|
|
УУ5 |
tffxjsOi zctxdz ~ |
|
|
|
||||
о |
. ?2cosz -cos'zjsipzdz]* |
|
||||||
- * § a |
|
|||||||
* {Fjftf* *& .) |
|
|
+ф |
/* а<& 1?У+ |
||||
4 fi/a |
4- jfx £ '//) |
f |
У |
a tL X & '4// / |
•tl!? O itF tfi№ |
)ett \ - |
||
r - a E f j j ( ^ |
j 4 |
& |
p W |
d x + ff[ « a |
|
Для иллюстрации практического использования полученных формул приведем пример расчета поперечных колебаний стального еонсольно-
го стержня, |
имеющего следующие |
геометрические размеры: € =150мм, |
|
$ =26^3мк, |
h, =3,3мм. |
|
|
Граничными условиями для |
консольного стержня являются: |
||
|
|
|
■=0 |
ЗхЧх, / ° |
(ж х>)х,/° |
||
В соответствии с |
( €Ъ) |
,а также используя дополнительное |
|
условие |
=1,получим выражение для функции прогиба |
[(cOSKt+chKtyfcaSKX-chxx)+ (Sintf-ShKfyfitlKX-SlnrxlJ
гЫпкбьНк?
и частотное уравнение
COSK3C/?K3= - /
При первой форме колебаний
Тогда собственная частота колебаний
cU _ w s ]I 7 7
“ F VJ>F |
|
|
Учитывая, что £ - 2t05/O S/f/7а |
; р |
- £300к г/м 3± |
J= 3,475/0~'м*; |
f * |
9.339/0'£* , |
находим |
|
|
^ = 763 с * '
Принимоем декремент колебаний, учитывающий рассеяние энергии в материале dr и потери энергии в заделку.
В качестве материала балки принимаем сталь 20Н5А е амплитудно- рприсиммм рассеянием энергии / 4 /•
; •‘= '4 " У