浅谈对结构动力学的认识

                 浅谈对结构动力学的认识

摘要：简单地讲述了对结构动力学的整体认识，介绍了结构动力学的发展历程，结构动力问题的几大特点，结构动力问题的分类，结构系统的动力自由度及其离散方法（包括集中质量法、广义坐标法和有限单元法），建立运动方程的方法（包括利用达朗贝尔(d'Alermbert)原理的直接平衡法，虚位移原理建立振动方程，哈密顿(Hamilton)原理建立振动方程）。

关键词：结构动力学；质量；阻尼；运动方程

On understanding of structure dynamics

Abstract: This paper simply tells the overall understanding of structure dynamics, and introduces the development course of structure dynamics, a few big characteristics of structure dynamic problem , the classification of structure dynamic problem, the structure of the system and its dynamic freedom discrete method (including focus on quality method, generalized coordinates method and finite element method), the method for establishing the equations of motion (including the use of d'Alermbert principle direct balance method, vibration equation with imaginary displacement principle, establish vibration equation with Hamilton principle). 

Key words: structure dynamics; quality; damping; equations of motion

1结构动力学发展简介

结构动力学是研究结构体系的动力特性，及其在动力荷载作用下动力响应分析原理和方法的一门技术学科。该学科的根本目的在于为改善工程结构系统在动力环境中的安全和可靠性提供坚实的理论基础。根据结构的功能不同和所处环境的不同，工程结构的振动存在三种情况:线性振动、非线性振动和随机振动。相应地可以将结构动力学划分为线性振动理论、非线性振动理论和随机振动理论。

拉格朗日(Lagrange)在l8世纪出版了名著《分析力学》，此书奠定了线性系统动力分析的基础。由于18世纪科学技术的不断创新，各种动力机械开始应用于不同的工程结构，促进了结构动力学理论和方法的不断进步。自从蒸汽机应用于船舶推进系统以后，使得船舶向大型和高速化发展，引起船舶振动问题日益突出。20世纪60年代以来，随着以有限元为核心的计算理论和技术的发展以及电子计算机的问世，产生了计算结构动力学，这使得对于大型复杂结构的动力分析成为可能。如今，人们可以成功地进行具有成千上万个自由度的大型复杂结构体系的动力分析。

 在结构动力响应计算中，人们已经注意到结构系统自身的非线性特性和非线性干扰作用下结构的非线性振动响应。例如，在航天航空工程中机翼的振颤，船舶在海浪中的大幅运动和系泊系统中系泊力的问题，地震作用下地基与地面建筑物之间的相互作用问题等都属于非线性振动问题。非线性振动系统的主要特点是:系统的恢复力是系统空间位置的非线性函数，而阻尼力是系统运动或振动速度的非线性函数。研究非线性系统的任务是确定系统振动的幅值、相位和频率，分析系统周期振动的条件及其稳定性。只有极少数非线性振动方程可以得到精确解析解，大多数方程仅能得到其近似解。因此，在非线性振动理论发展的进程中，非线性方程求解方法的研究占有重要地位。1892年，庞加莱〔Poincare)研究大体运动时提出了振动法，也称为小参数法。为了消除周期近似解中的永年项，出现了L-P法(Lindstedt-Poincare) 。求解近似解的第二个方法是1926年范德波(Van de pol)提出的渐进法。前苏联学者克雷洛夫和巴戈留包夫系统研究了范德波的渐进法任意近似解的三级数法，即KEM方法。第三个方法是多尺度方法，出现于20世纪50年代，该方法适用于求解周期和非周期振动系统近似解。参数激励振动系统是非线性振动研究进程中的重要发现, 参数激励研究表明，当弦或直梁受到二倍于横向固有频率的纵向激励时，可以引起直梁的横向振动, 这些问题可以归结为马蒂厄(Mathieu)方程。只有少数低维非线性系统可以得到近似解析解。对于高维非线性系统，多采用数值计算方法，例如，采用龙格-库塔方法、威尔逊(Wilson)法和纽马克(Newmark)法等。

2 结构动力问题的特点

    结构动力学的内容之一是研究结构的动力响应。所谓动力响应是指结构在广义动力荷载作用下的结构位移和内力响应，而广义动力荷载包括动力激励和动位移激励。动力荷载指荷载的大小和方向(有时包括作用位置)随时间而变化的荷载。在动力荷载的作用下，结构的位移和内力随时间而不断变化，并且结构产生振动速度和加速度。

    结构动力问题与结构静力问题比较有三个不同点：第一，由于结构动力问题中的荷载随时间变化，显然动力问题不像静力问题那样具有单一的解，而必须建立相应于响应历程中的全部时间的一系列解答。第二，如果梁仅承受静力荷载，则它的内力和位移仅仅依赖于给定的外荷载，其平衡关系是外力和恢复力之间的平衡。但是，如果结构作用动力荷载，则梁所产生的位移和加速度有关，这些加速度产生与其反向的惯性力，于是梁的恢复力不仅要平衡外加动力荷载，还要平衡加速度引起的惯性力。第三，动力问题中结构响应的大小，与荷载的大小和荷载随时间的变化过程有关，如果荷载的干扰频率接近结构的固有频率，尽管荷载的幅值不大，也会引起结构很大的振动响应即共振。

   工程结构是否作为振动系统分析，要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，则其惯性力仅仅是结构弹性力所要平衡的全部荷载中的较小部分，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。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，则激起的结构的振动将会十分缓慢，其引起的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。

3 结构动力问题的分类

根据结构自身的材料特性、构造特点及荷载类型，可以对结构动力问题进行分类。工程结构材料的物理特性一般为线性的，即应力-应变关系服从胡克定律，但是有些结构的材料如橡胶构建，其物理特性为非线性的，即其应力-应变关系不满足胡克定律。此外由线性材料制作的构件也可出现构造非线性，如用于减振的塔式弹簧，其变形与外力的关系为非线性关系的。在工程结构中，某些系统的恢复力和阻尼分别与结构振动位移和振动速度有关，则此种系统也属于非线性系统，如舰船在波浪中的运动、结构大挠度振动问题等。如果结构系统自身是非线性的，则不管荷载的形式如何，其振动响应均表现为非线性振动。但是，在工程结构中，大量的结构系统可能为线性系统，其振动的响应特性，将取决于荷载随时间的变化规律。一般可以将动力荷载分为确定性荷载和非确定性荷载。确定性荷载的变化规律是完全确定的，无论是周期的还是非周期的，它们均可以用确定性的函数来表达。常见的确定性荷载有:简谐荷载、周期荷载、冲击荷载和持续长时间的非周期荷载。

   非确定性荷载又称为随机荷载，它随时间的变化规律是预先不可以确定的，而是一种随机过程，例如，地震荷载、风荷载和作用在船舶与海洋结构物上的波浪力等。随机过程虽然不可以表示为时间的确定性函数，但是它们受统计规律的制约，需要用概率统计的方法来研究随机荷载作用下结构振动。

此外，有些荷载具有明显的非线性性质，例如，作用在海洋结构物上的波浪力是非线性的，非线性的荷载将激起机构系统的非线性振动。

    综上所述，可以将结构的动力问题划分为：

    ①线性确定性振动，即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，即结构自身为线性的，荷载为随机的；

    ③非线性确定振动，即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，即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。

4 结构系统的动力自由度及其离散

动力问题的特点之一是要考虑结构体系的惯性力，所以在确定计算简图时，必须明确系统的质量分布及其可能发生的位移，以便全面合理地确定系统的惯性力。系统振动时，确定任一时刻全部质量位移所需要的独立的几何参变量的数目，称为结构系统的动力自由度。

一切结构系统都具有分布质量，因而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。在结构动力计算时，为了避免过于繁杂和数学上的困难，一般将结构处理为有限自由度系统，这一过程称为结构系统的离散:以下介绍几种常用的离散方法。

1)集中质量法

图4-1简支梁上有三个较重的质量，其质量远大于梁结构自身的质量。若将梁的质量也集中到这些质量块上，则转化为有若干个质量块的有限自由度系统。

对于在平面内振动的质量块，存在三个自由度即两个线位移和一个转角，相应地，每个质量块便有两个惯性力和一个惯性转矩。如果质量块的尺寸相对于梁的长度是较小的，则可以忽略质量块的尺寸效应，即不计惯性转矩，因而转角也就可以不作为动力自由度。如果忽略质量的水平位移，则图4-1中的简支梁系统共有二个竖向位移由度。

某些情况下梁上没有较重的质量块，只存在分布质量，也可以将其近似处理为有限自由度系统。例如，图4-2所示的非均匀断面梁，分为三段，每段的质量分布分别为: l1段位，l2段为, l3段为，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。离散方法是将每段总质量的一半分别集中于各该段的两端。离散结果是: ，，见图4-2。如果想提高计算精度，可以增加分段的个数，简化后系统的白由度亦相应增加。

2) 广义位移法

对于梁上仅有分布质量的系统，为了提高计算精度，可以采用广义位移法。以图1-2中的简支梁为例，设在初始时刻梁的挠曲线为y(x,t0)，将其展开为三角级数

                           （4-1）

此处t为梁的长度。若给出系数an(t0)，则初始的全部质点的位置随之确定。一般来说，用有限个低频正弦波叠加来表达挠曲线的形状，可以具有足够的精度。如果取前三项，即

      （4-2）

通过式（4-2），将无限自由度系统转化为三个自由度系统。此处，a1(t0),a2(t0),a3(t0)是确定梁的形状即全部质点位置的三个相互独立的坐标。

3) 有限单元法

与静力问题中的有限单元法一样，结构动力问题也可以采用有限单元法进行离散。有限单元法综合了集中质量法和广义坐标法的特点。用有限单元法分析动力问题，是以结构结点的位移表达结构上各个点的位移状态。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，结点的位移便是决定结构系统中全部质点位置的独立坐标。

在采用有限单元法离散时，不在整个梁的范围内取有限个函数项的和作为全梁某时刻的挠曲线，而是在各个单元范围内假设两结点之间的挠曲线，该挠曲线称为位移函数或者插值函，其确定了单元位移的形状，它的表达式包含若干个参数。位移函数在单元内部保持光滑连续，并且在单元两端满足支承和变形连续条件。根据这些条件，可以将位移函数中的参数通过结点位移来表达。因此，整个结构系统便转化为以结点位移为未知数的有限自由度系统了。

以上三种方法中，有的基本未知量是质点(结点)的位移，有明显的几何意义，如图4-1中的y1,y2,和y3，称其为几何坐标，有的基本未知量没有明显的几何意义，如a1(t0),a2(t0),a3(t0)，但是，只要求出这些参数，则系统全部质点的空间位置即可确定。因此，对能确定振动系统中全部质点(结点)几何位置的相互独立的参数，无论其量纲为何，常称其为广义坐标。

5 振动能量耗散与阻尼力

   受到突然激励产生运动的船舶会逐渐静止下来，强烈的地震过后剧烈摇晃的建筑物会趋于静止，这些都是因为阻尼的作用消耗了系统振动的能量，或者说振动过程中具有能量的耗散，这种消耗振动的能量并使振动衰减的因素，称为阻尼力。如果系统的振动被激起后进入自由振动状态，则由于阻尼的作用振动将会衰减直至系统恢复到静止状态。引起振动能量耗散的因素很多，一般可以划分为内阻尼和外阻尼。内阻尼主要指和材料应变有关的阻尼，其由于材料的非弹性性质或者非弹性变形所引起。而外阻尼可能包含更多的复杂因素，如周围介质对振动的阻力和摩擦阻尼等。例如，船舶或海洋结构物在水中振动时，受到流体的摩擦作用消耗振动的能量，埋入土中的结构振动时与土壤摩擦耗散振动能量，此外结构的连接结点和支座与结构之间的摩擦也消耗振动的能量，这些都是外阻尼的成因。

    对于内阻尼，一般假设与应变的速率成正比，而对于外阻尼，常常同时存在着几种阻尼因素，要想找出一种可以完善反映各种结构中阻尼作用的理论是不现实的，所以目前一般采用相当简化的阻尼模型。为了反映振动过程中能量的耗散，在建立振动方程时，引入造成能量消耗的阻尼力，目前多采用粘滞阻尼理论表达阻尼力。在线性振动理论中，总是把阻尼简化为粘滞阻尼，用表示阻尼力。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。实际存在的阻尼是复杂的，外阻尼中一般都存在非线性。如流体介质阻尼，当速度相当大时，阻尼不再与速度成正比。此外，阻尼还与系统运动幅值的大小有关，如船舶微幅运动时，用横摇角速度的一次幂表达阻尼就够了，但是当大幅横摇运动时，需要用包括横摇角速度的五次幂在内的多项式表达横摇阻尼力矩。

    对非线性阻尼系统，常按系统在一个周期内能量耗散与理想的粘性阻尼系统在一个周期内能量消耗相等的条件，推出“等效粘性阻尼系统”，仍按线性理论求解。

    若考虑系统的阻尼，则系统称为“非保守系统”。反之，忽略阻尼影响不计振动能量的耗散，则系统称为“理想保守系统”。

6 建立运动方程的方法综述

结构动力分析的目的是求出动荷载作用下结构的动位移和动内力, 并研究它们随时间的响应历程。在大多数情况下，应用包含有限个自由度的近似分析方法,就足够精确了。这样，问题就变为求出这些选定位移分量的时间历程。描述结构系统动力位移的数学表达式称为结构的运动方程，而这些运动方程的解就提供了所求的位移历程。

动力体系的运动方程的建立，也许是整个分析过程中最重要(有时是最困难的)的方面。建立振动系统的运动方程有多种方法，但不管采用何种方法建立运动方程，其结果都是一致的。

1)利用达朗贝尔(d'Alermbert)原理的直接平衡法

任何动力体系的运动方程都可代表牛顿的第二运动定律，即任何质量m的动量变化率等于作用在这个质量上的力。这个关系在数学上可用微分方程来表达，即

                        (6-1)

式中:P(t)为作用力；y(t)为质量m的位置。对于大多数的结构动力学问题，可以认为质量是不随时间变化的，这时方程(1-3)可改写为

                     (6-2)

其中圆点表示对时间求导数。式(1-4)也可改写为

                           (6-3)

此时第二项被称为抵抗质量加速度的惯性力。

    质量所产生的惯性力，与它的加速度成正比，但方向相反，这个概念称做达朗贝尔原理。由于它可以把运动方程表示为动力平衡方程，可以认为，力P(t)包括许多种作用于质量上的力，包括抵抗位移的弹性约束力、抵抗速度的粘滞力以及外部干扰力。因此，如果引人抵抗加速度的惯性力，则运动方程表示作用于质量上所有力的平衡关系。在许多简单问题中，最直接而且方便地建立运动方程的方法就是采用这种直接平衡的方法。

2)虚位移原理建立振动方程

    如果结构体系相当复杂，而且包含许多彼此联系的质量点或有限尺寸的质量块，则直接写出作用于体系上所有力的平衡方程可能是困难的。但是在某些情况下，结构系统上的力可以方便地用位移自由度来表示，而它们的平衡规律则可能是不清楚的。此时，虚位移原理就可用来代替平衡规律建立方程。

    虚位移原理可表述如下:如果一个平衡体系在一组力的作用下发生虚位移，即体系约束所允许的任何微小位移，则这些力所作的总功将等于零。按这个原理，在虚位移上所作的总功为零，是和作用于系统上的力的平衡是等价的。因此，在建立振动系统的运动方程时，首先对于质量施加包括惯性力在内的所有的力，然后引人相应于每个自由度的虚位移，并使所作的虚功等于零，这样即可以得到运动方程。此种方法的优点是：虚功为标量，可以按照代数规则计算，从而避免复杂的矢量计算。

3) 哈密顿(Hamilton)原理建立振动方程

采用哈密顿原理建立振动方程，也可以避免矢量的运算。哈密顿原理可以表达为

             （6-4）

式中:T为体系的动能；V为体系的位能，包括应变能及任何保守外力的势能；为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；为在指定时间内所取的变分。

哈密顿原理说明:在任何时间区间t1到t2内，动能和位能的变分加上所考虑的非保守力所做的功的变分必须等于零。这个原理的应用直接导出任何给定系统的运动方程。这个方法和虚功原理方法的区别在于:在这个方法中，不明显使用惯性力和弹性力，而分别被动能和位能的变分项所代替。因此，这种建立运动方程的方法的优点是，它只和纯粹的标量即能量有关，而在虚功分析中，被用来计算功的力和位移却都是矢量。需要指出的是，根据哈密顿原理可以导出拉格朗日第二类方程。

参考文献

[1]毕学涛.高等动力学[M].天津:天津大学出版社，1994.

[2]唐友刚.高等结构动力学[M].天津:天津大学出版社,2002.

[3](美)R.克拉夫，J.彭津 王光远等译校.结构动力学.高等教育出版社,2006.