理论教育 强迫振动中的阻尼矩阵:杆系结构有限元

强迫振动中的阻尼矩阵:杆系结构有限元

时间:2023-08-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:但由于低阶振型对动力响应的贡献通常占据绝对优势,故高阶阻尼比的变化也可以忽略,不致带来较大误差。2)瑞利阻尼也可直接定义一个可以通过主振型变换为对角方阵的阻尼矩阵。由于刚度矩阵和质量矩阵均可由主振型矩阵实现对角化,故两个矩阵的任意线性组合皆可在相同的广义坐标变换下,形成对角的广义阻尼矩阵,以确保主振型空间内阻尼力仍在各自由度间不相耦合。

强迫振动中的阻尼矩阵:杆系结构有限元

阻尼反映了结构运动过程中的能量耗散,与许多因素有关,如与周边介质的摩擦、材料内部的内摩擦等。产生阻尼的原因不一,很难使用具体的函数进行定义。一般是构造出一个足够简洁的函数去描述结构运动中大致的能量耗散。

单自由体系分析时,对于低速运动,一般简化为粘滞阻尼,并构造出粘滞阻尼模型,设定能量耗散与体系运动速度成正比,再通过试验去测定阻尼系数、阻尼比等参数。

自由度体系分析也可以采用类似的方法。

1)在广义坐标下设定对角阻尼

若可以认为在主振型空间对质量矩阵刚度矩阵都进行对角化后,体系在此主振型线性空间内的阻尼特征还是可以满足各广义自由度各自耗散能量,而不互相耦合,便能仿照单自由度体系中阻尼系数和阻尼比的概念,对主振型空间内阻尼进行定义。

对各广义自由度设定出各自的阻尼比ξi后,广义坐标系统下的对角阻尼矩阵即可表达为:

对于钢筋混凝土结构,各阶阻尼比在工程分析时仍可按经验取为0.05。当然,各阶阻尼比并不一定相等,通常越高阶,由于对应振型下可能变形模式的复杂程度增加,速度加速度量值的变化等,阻尼比也会随之提高。但由于低阶振型对动力响应的贡献通常占据绝对优势,故高阶阻尼比的变化也可以忽略,不致带来较大误差。

在任一广义自由度下,皆有:

广义对角阻尼方法显然适用于振型分解法。(www.daowen.com)

2)瑞利阻尼

也可直接定义一个可以通过主振型变换为对角方阵的阻尼矩阵。由于刚度矩阵和质量矩阵均可由主振型矩阵实现对角化,故两个矩阵的任意线性组合皆可在相同的广义坐标变换下,形成对角的广义阻尼矩阵,以确保主振型空间内阻尼力仍在各自由度间不相耦合。

可定义:

即为瑞利(Rayleigh)阻尼矩阵,待定系数α0、α1可以据式(6.23)的构造原则进行计算。

3)特定阻尼设定

如果对单元的阻尼特征进行了深入的研究;或在减、隔振技术使用时,在结构单元或特定自由度直接加设阻尼器,其阻尼特征明确;也可以直接定义自由度的阻尼函数;或在有足够实验数据支持下,定义出特定单元的阻尼系数函数c(x),再利用位移插值函数N变换至结点自由度,即:

此时阻尼矩阵无法在主振型空间完成解耦,方程只能采用直接积分的方法进行求解。

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