Главная > Колебания в инженерном деле" (С. П. Тимошенко, Д. Х. Янг, У. Уивер)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

В предыдущем параграфе был рассмотрен общий случай периодической возмущающей силы, которая может быть представлена в виде ряда Фурье. Однако для случая возмущающей силы произвольного вида сила меняется во времени не по периодическому закону, поэтому здесь следует использовать несколько иной подход к решению задачи.

Рассмотрим дифференциальное уравнение движения демпфированной системы с одной степенью свободы (рис. 1.42,a ) при действии возмущающей силы Q=F(t) произвольного вида
mx¨=cx˙kx+Q.

Рис. 1.42

Разделив уравнение (а) на m и сделав соответствующие преобразования, получим
x¨+2nx˙+p2x=q,

где
q=Qm=F(t)m=f(t)

является возмущающей силой, отнесенной к единице массы. При выводе уравнения (1.61) предполагалось, что сила q является функцией фиктивного времени t, как показано на рис. 1.42, б. Тогда в произвольный момент времени t можно подсчитать приращение импульса qdt, показанное на рисунке заштрихованным прямоугольником. Этот импульс сообщает единице массы мгновенное увеличение скорости (или приращение скорости)
dx˙=qdt

независимо от того, что на эту массу могут действовать и другие силы (например, сила упругости) и независимо от величины перемещения и скорости этой массы в момент t. Рассматривая это приращение скорости как начальную скорость в момент t и используя выражение (1.35) из п. 1.8, получим, что приращение перемещения системы в любой момент времени t будет иметь вид
dx=en(tt)qdtpд sinpд (tt).

Поскольку такой же эффект вызывается каждым приращением импульса qdt на интервале от t=0 до t=t, то в результате непрерывного действия возмущающей силы q получим следующее выражение для полного перемещения:
x=entpд 0tentqsinpд (tt)dt.

Подобные представлєния в матєматике называются интегралом Дюамеля.

Выражєние (1.62) представляет полное перемещение при действии возмущающей силы q на интервале времени от 0 до t. Оно включает как установившиєся, так неустановившиеся формы и особенно удобно при исследовании поведения системы при колебаниях, когда действует возмущающая сила произвольного вида. Если функцию q=f(t) не представляется возможным выразить аналитически, интеграл (1.62) можно всегда вычислить приближенно с помоцью соответствующего метода графического или численного интегрирования. Для того чтобы учесть влияние начального смещения x0 и начальной скорости x˙0 при t=0, необходимо только к выражению

Рис. 1.43
(1.62) прибавить решение (1.35) из п. 1.8, учитывающее указанные начальные условия. Тогда общее решение примет вид
x=ent[x0cospt+x˙0+nx0pд sinpд t+1pД 0tentqsinpД (tt)]dt.

Если пренебречь влиянием демпфирования, получаем n=0 и p云 =p, в результате чего выражение (1.62) принимает вид
x=1p0tqsinp(tt)dt.

В том случае, когда учитывается влияние начального смещения x0 и начальной скорости x˙0 при t=0, выражение (1.63) без учета демпфирования становится таким:
x=x0cospt+x˙0psinpt+1p0tqsinp(tt)dt.

В качестве примера применения выражения (1.64) предположим, что к массе на рис. 1.42 , a внезапно приложена постоянная сила Q1 (рис. 1.43,a ). Подобный характер динамического нагружения описывается так называемой ступенчатой функцией. В этом случае имеем q1=Q1/m= const. Тогда выражение (1.64) примет вид
x=q1p0tsinp(tt)dt.

Этот интеграл, легко вычисляется, что дает
x=q1p2(1cospt)=Q1k(1cospt).

Из приведенного решения следует, что при внезапном приложении постоянной по величине силы возникают колебания с амплитудой Q1/k, наложенные на статическое смещение той же величины Q1/k (рис. 1.43, б). Таким образом, максимальное перемещение, возни-

Рис. 1.44

кающее при внезапном приложении силы, в 2 раза болыше перемещения, обусловленного статическим приложением силы.

В рассмотренном выше случае постоянная сила Q действует в течение бесконечно большого промежутка времени. Если же она действует только на промежутке времени t1, имеет место прлмоугольный импульс (рис. 1.44, a). В течение времени, когда сила не равна нулю, поведение системы в точности совпадает с тем, что дается выражением (1.66). Поведение же в следующее за t1 время можно определить с помощью интеграла Дюамеля, записанного для каждого из двух интервалов времени: от 0 до t1 и от t1 до t. Только интегрирование по первому интервалу дает отличный от нуля результат, поскольку во втором интервале времени функция возмущающей силы равна нулю. Суммируя сказанное, решение для рассматриваемого случая можно представить в следующем виде:
 при 0tt1.x=Q1k(1cospt), т. е. (1.66);  при tt1x=Q1k[cosp(tt1)cospt].

Аналогичные результаты могут быть получены, если импульс прямоугольной формы (см. рис. 1.44, a) рассматривать как сумму двух ступенчатых функций, что показано на рис. 1.44,6. Первая

ступенчатая функция принимает значение Q1 при t=0, вторая Q1 при t=t1.

Третий метод получения того же результата, что содержится в выражении (1.67), заключается в определении перемещения и скорости системы в момент времени t1 с помощью выражения (1.66). В результате получим
xt1=Q1k(1cospt1),x˙t1=Q1pksinpt1.

Если эти величины рассматривать как начальные перемещение и скорость, заданные в момент времени t1, результирующее движение системы при свободных колебаниях можно представить в виде
x=x1cosp(tt1)+x˙t1psinp(tt1).

Подставляя значения (е) и (ж) в выражение (з), после несложных тригонометрических преобразований снова придем к полученному выше решению (1.67).

Амплитуду свободных колебаний, возникших после воздействия импульса прямоугольной формы, можно определить по формуле
A=xt12+(x˙t1/p)2.

Подставляя в формулу (и) значения (е) и (ж), после упрощений найдем
A=Q1k2(1cospt1)=2Qksin(pt12)=2Qksin(πt1τ).

Из последней записи выражения (к) видно, что амплитуда свободных колебаний зависит от отношения t1/τ, где τ — период свободных колебаний системы. Взяв в качестве длительности импульса прямоугольной формы время t1=τ/2, получим значение амплитуды A= =2Q1/k. Перемещения системы во времени при действии импульса показаны на рис. 1.44 , в. В этом случае сила Q действует в направлении перемещения от 0 до A и совершает в системе положительную по знаку работу. Когда сила начинает действовать в крайнем положении, система, в которой отсутствует демпфирование, сохраняет эту энергию, в результате чего происходят свободные колебания относительно начального перемещения 2Q/k, соответствующего моменту времени t1.

Рассмотрим второй специальный случай, задав длительность импульса t1=τ. Из выражения (к) следует, что при этом амплитуда A=0, а перемещения системы во времени имеют вид, показанный на рис. 1.44, г. В этом случае постоянная сила совершает положительную по знаку работу на перемещении от 0 до A, которая равна по величине отрицательной работе на обратном перемещении от A до 0 . Поэтому полная совершаемая работа равна нулю, и система остается в покое после прекращения действия силы.

Предположим, что ряд ступенчатых функций чередующихся знаков, действующих так, как показано на рис. 1.45,a, производит в результате последовательность импульсов прямоугольной формы (рис. 1.45, б). Пусть длительность интервала времени между смежными ступенчатыми функциями равна τ/2. Тогда действие импульса будет всегда совпадать по фазе со скоростью и он будет совершать положительную работу на каждом цикле колебания. В соответствии с принципом наложения можно сделать вывод, что амплитуда свободных колебаний после n импульсов прямоугольной формы будет
An=2nQ1/k.

Таким образом, при каждом цикле колебаний амплитуда увеличивается на 2Q1/k, в результате чего суммарное перемещение системы стремится к бесконечности. На рис. 1.45 , в показана кривая, демонстрирующая это нарастание перемещения после нескольких первых циклов колебаний. Из сказанного можно сделать вывод, что в любой период функции возмущающей силы при совпадении частот возмущающей силы и системы будут возникать большие амплитуды вынужденных колебаний, если эта сила совершает при каждом цикле положительную работу. Таким образом, использование интеграла Дюамеля для определения перемещения системы во времени при действии обобщенной периодической возмущающей силы представляет собой метод, отличный от приведенного в п. 1.11, где динамические нагрузки были представлены в виде рядов Фурье.

Пример 1. Определить закон движения системы с одной степенью свободы без демпфирования при действии возрастающей по линейному закону силы, называемой линейной функцией (рис. 1.46, a). Скорость возрастания функции Q в единицу времени равна δQ.

Pешение. В данном примере функция возмущающей силы, выраженная через δQ и t, имеет вид
Q=δQt,
а отнесенная к единице массы сила
q=δQmt.

Применительно к данному случаю выражение (1.64) дает
x=δQmp0ttsinp(tt)dt.

Тогда после интегрирования по частям получаем искомое решение
x=δQk(t1psinpt).

Из полученного решения видно, что закон движения в случае возрастающей по линейному закону силы представляет собой сумму линейно возрастающего статического перемещения δQt/k и перемещений при свободных колебаниях с амплитудой δQ/kp (рис. 1.46, б). Скорость в произвольный момент времени t равна первой производной выражения (о) по времени
x˙=δQk(1cospt)=δQk(1cos2πtτ).

Таким образом, скорость равна нулю в моменты времени t=0,τ,2τ,3τ,; в те же моменты времени τ=0,τ,2τ,3τ, равен нулю угол наклона кривой, описывающей зависимость перемещения от времени (см. рис. 1.46, б). Кроме того, в момент времени T=τ/2,3τ/2,5τ/2, скорость всегда имеет положительное значение с максимумом, равным 2δQ/k.

Правая часть выражения (п) для скорости совпадает по форме с правой частью выражения (1.66) для перемещений при действии нагрузки в виде ступенчатой функции. Это объясняется тем обстоятельством, что линейно возрастающая функция пропорциональна времени, а не является постоянной величиной, не зависящей от времени. Можно также отметить, что функция возмущающей силы, изменяющейся во времени по параболическому закону, обусловливает функцию скорости, совпадающую по форме с правой частью выражения (о) для перемещений, и функцию ускорения, совпадающую по форме с правой частью выражения (п) для скорости.

Пример 2. Вновь получим выражения для перемещений при вынужденных колебаниях без демпфирования системы с одной степенью свободы, если возмущающая сила является гармонической функцией. Этот случай разбирался и подробно
Рис. 1.46

обсуждался выше в пп. 1.6 и 1.7. Предположим, что функция возмущающей силы имеет вид
Q=Qmaxsinωt.

Силу, отнесенную к единице массы, представим в виде

где
q=qmax sinωt,qmax=Qmax/m.

Подставим представление (с) в выражение (1.64). Тогда получим
x=qmaxp0tsinωtsinp(tt)dt.

Используя тригонометрическую формулу для произведения синусов и выполняя интегрирование, приведем выражение (т) к виду
x=qmax2p0t[cos(ωtpt+pt)cos(ωt+ptpt)]dt==qmax2p0t{cos[(ω+p)tpt]cos[(ωp)t+pt]}dt,

который можно интегрировать непосредственно. Выполнив интегрирование, после упрощений получим
x=Qmaxk(sinωtωpsinpt)11ω2p2.

Сравнивая это выражение с выражением (1.296) в п. 1.7, видим, что они совпадают. Первый сомножитель в выражении (у) представляет статическое перемещение системы при действии постоянной нагрузки Qmax; члены, входящие во второй сомножитель, описывают установившееся и неустановившееся поведение системы; третий сомножитель является коэффициентом усиления β при отсутствии демпфирования. Отметим, что установившаяся часть перемещений системы во времени содержится в решениях, полученных с помощью интеграла Дюамеля, если не принимаются во внимание начальные условия.

Пример 3. Для системы, показанной на рис. 1.42 , a, определить закон движения при наличии демпфирования, если соответствующая ступенчатая функция представлена графиком на рис. 1.43,a. ใ?

Решение. В этом случае для нахождения закона движения при наличии демпфирования надо подставить силу, отнесенную к единице массы, q1=Q1/m в выражение (1.62), откуда получим
x=q1entpД 0tentsinpД (tt)dt.

Выражение (ф) можно проинтегрировать по частям и представить в следующем виде:
x=Q1k[1ent(cospД t+npД sinpд t)].

Полученное решение представляет собой сумму статического перемещения Q1/k и перемещения при свободных колебаниях с демпфированием (см. п. 1.8), у которых амплитуда
Aent=Q1kent1+(npдL )2,

а фазовый угол
αд =arctg(n/pд ).

Если пренебречь демпфированием, то выражение (х) совпадает с (1.66), амплитуда A становится равной Q1/k, фазовый угол α обращается в нуль.

Пример 4. Получить выражение для кривой на рис. 1.45, в, описывающей поведение системы при отсутствии демпфирования для интервала времени 5τ/2 t3τ.

Решение. Функция возмущающей силы является периодической и имеет тот же период, что и сама система. Будем рассматривать временной интервал как период (i1)τtiτ, где i=1,2,3,,n. Общее выражение, описывающее поведение системы на первой половине i-го периода, можно записать с помощью выражения (1.66) (см. рис. 1.45,a ), что дает
xn1=Q1ki=1n{1cosp[t(i1)τ]}Q1ki=1n1{1cosp[t(2i1)τ2]}.

Аналогично можно записать закон движения для второй половины n-го периода
xn2=Q1ki=1n{1cosp[t(i1)τ]1+cosp[t(2i1)τ2]}==Q1ki=1n{cos[pt(2i1)π]cos[pt2(i1)π]}.

Используя тригонометрические формулы для косинусов разности двух углов, получим
xn2=Q1ki=1n{cosptcos(2i1)π+sinptsin(2i1)πcosptcos2(i1)πsinptsin2(i1)π}.

Учитывая, что значения sin(2i1)π и sin2(i1)π всегда равны нулю, запишем
xn2=Q1ki=1n{cospt[cos(2i1)πcos2(i1)π]}.

Преобразования, аналогичные использованным выше, приводят окончательно к следующему выражению:
xn2=2nQ1kcospt.

Временной отрезок 5τ/2t3τ соответствует второй половине третьего периода; в результате для n=3 из выражения (щ) имеем
xn2=6Q1kcospt

ЗАДАЧИ

1.12.1. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы имеет вид, приведенный на рис. А.1.12.1.
Oтвет:
x=Q1k(1cospt),0tt1;x=Q1k[cosp(tt1)cospt]Q2k[1cosp(tt1)],t1tt2;x=Q1k[cosp(tt1)cospt]Q2k[cosp(tt2)cosp(tt1)],tt2.
1.12.2. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы имеет вид, приведенный на рис. A.1.12.2.
Ответ:
x=Q1k(1cospttt1+sinptpt1),0t<t1x=Q1k[cospt+sinptsinp(tt1)pt1],tt1.

Рис. А.1.12.1
Рис. А.1.12.2
1.12.3. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы имеет вид, показанный на рис. А.1.12.3.
Omsem:
x=Q1k(1cospt),0tt1x=Q1k[1cospttt1t2t1+sinp(tt1)p(t2t1)],t1<tt2;x=Q1k[cospt+sinp(tt1)sinp(tt2)p(t2t1)],t>t2.
1.12.4. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы имеет вид, приведенный на рис. А.1.12.4.
x=Q1k(tt1sinptpt1),0tt1;x=Q1k[tt1sinptpt1t2(tt1)t1(t2t1)+t2sinp(tt1)pt1(t2t1)],t1tt2;x=Q1k[sinptpt1+t2sinp(tt1)pt1(t2t1)sinp(tt2)p(t2t1)],tt2.
Рис. А.1.12.3
Рис. А.1.12.4
1-12.5. Определить закон движения системы с одной степенью ‘свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы (рис. А.1.12.5) изменяется по параболическому закону вида Q=Q1(1t2/t12).
Omвem:
x=Q1k[(1+2p2t12)(1cospt)t2t12],0tt1;x=Q1k{2p2t12[cosp(tt1)cospt]2pt1sinp(tt1)cospt},tt1.
1.12.6. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если функция возмущающей силы (рис. А.1.12.6) изменяется по параболическому закону вида Q=Q1(tt1)2/t12.
Omвem:
x=Q1k(12p2t12)(1cospt)2tt1+t2t12+2sinptpt1],0tt1x=Q1k{2p2t12[cosptcosp(tt1)]cospt+2sinptpt1},tt1.

Рис. А.1.12.5
Рис. А.1,12.6
1.12.7. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если возмущающая сила описывается тригонометрической функцией Q=Q1sin[πt/(2t1)], показанной на рис. A.1.12.7.
Ответ:
x=Q1k(sinωtωpsinpt)β,ω=π2t1,0tt1;x=Q1k[cosp(tt1)ωpsinpt]β,tt1.
1.12.8. Определить закон движения системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования, если возмущающая сила описывается тригонометрической функцией, показанной на рис. А.1.12.8.
Omвem:
x=Q1k[tcospt(cosωtcospt)β],ω=π2t1,0tt1;x=Q1k{cosp(tt1)cospt+[cospt+ωpsinp(tt1)]β,tt1.

Рис. A.1.12.7
Рис. А.1.12.8
1.12.9. Для системы с одной степенью свободы (см. рис. 1.42,a ) определить закон движения при отсутствии демпфирования и действии возмущающей силы в виде линейно возрастающей функции (см. рис. 1.46,a ).
Omвem:
x=δQk[t2np2+ent(2np2cospД tpД 2n2p2pД sinpД t)].

1
Оглавление
email@scask.ru