从单自由度系统的振动形态和固有频率,可以理解模态分析的意义。实际上,我们碰到的系统都是多自由度系统,求解多自由度系统的振动形态和固有频率,就复杂多了。多自由度系统中,最简单的就是二自由度系统,只要能理解二自由度系统的振动特性,就能够自然地推广到多自由度系统中去。下图1是一个二自由度系统的振动。
图1 二自由度振动系统
在自由振动的情况下,根据牛顿第二运动定律,该系统的动力学方程组可写为:
写成标准形式:
写成矩阵形式:
进一步,我们不考虑系统的阻尼,也就是系统是无阻尼自由振动,这样更有利于我们理解。
此时,矩阵形式的方程组进一步简化为:
这是二阶常系数线性齐次微分方程组,它的解的形式为:
将(5)的解代入(4)式的方程,可得:
(6)式有非零解的充分必要条件是:
可得:
令:
方程(8)的解为:
系统的振动频率:
下面我们举一个例子。
如果:
根据(9) (10) (11)式,可得:
当:
从(6)式第一个方程可得:
这是第一个固有频率对应的振型,表明第一阶模态两个自由度的运动是同向的。
当:
从(6)式第一个方程可得:
这是第二个固有频率对应的振型,表明第二阶模态两个自由度的运动方向是相反的。
综上所述,上述二自由度系统,它有两个固有频率,第一阶固有频率对应的振型,两个自由度的运动是同向的;第二阶固有频率对应的振型,两个自由度的运动方向是相反的。
下面用midas程序验证一下:
midas程序的计算结果与理论计算结果是一致的。相信大家对模态分析有了更深入的了解~~~下期再见~