第十五章--薄板的振动问题(徐芝纶第四版)

第十五章薄板的振动问题第一节薄板的自由振动第二节四边简支板的自由振动第三节两对边简支板的自由振动第四节圆形薄板的自由振动第五节用差分法求自然频率第六节用能量法求自然频率第七节薄板的受迫振动第五章薄板的振动问题第一节薄板的自由振动关于薄板的振动问题，这里将只讨论薄板在垂直于中面方向的所谓横向振动，因为这是工程实际中的重要问题。薄板在平行于中面方向的所谓纵向振动，由于它在工程实际中无关重要，而且在数学上也难以处理，所以不加讨论。首先来讨论薄板的自由振动。单自由度振动的例子薄板自由振动的一般问题：在一定的横向荷载作用下处于平衡位置的薄板，受到干扰力的作用而偏离这一位置，当干扰力被除去以后，在该平衡位置附近作微幅振动。(1)试求薄板振动的频率，特别是最低频率。(2)设已知薄板的初始条件，即已知初挠度及初速度，试求薄板在任一瞬时的挠度。当然，如果求得薄板在任一瞬时的挠度，就易求得薄板在该瞬时的内力。设薄板在平衡位置的挠度为we＝we(x，y)，这时，薄板所受的横向静荷为q＝q(x，y)。按照薄板的弹性曲面微分方程，我们有：设薄板在振动过程中的任一瞬时t的挠度为we＝we(x，y)，则薄板每单位面积上在该瞬时所受的弹性力，将与横向荷载q及惯性力qi成平衡，即注意薄板的加速度是qwDe4i4qqwDt2twt22twmqt2i其中m为薄板每单位面积内的质量(包括薄板本身的质量和随薄板振动的质量)，则前式可以改写为因而每单位面积上的惯性力22i4twmqqqwDtt22e4)(twmwwDtt将上式与下式相减得到qwDe4由于we不随时间改变，所以上式可以改写成为在以下的分析中，为了简便，我们把薄板的挠度不从平面位置起，而从平衡位置量起。于是薄板在任一瞬时的挠度为w＝wt－we，而上式成为这就是薄板自由振动的微分方程。)()(e22e4wwtmwwDtt224twmwD现在来试求微分方程的如下形式的解答在这里，薄板上每一点(x，y)的挠度，被表示成为无数多个简谐振动下的挠度相叠加，而每一个简谐振动的频率是ωk，另一方面，薄板在每一瞬时t的挠度，则被表示成为无数多种振形下的挠度相叠加，而每一种振形下的挠度是由振形函数Wk(x，y)表示的。11),()sincos(kkkkkkkkyxWtBtAww为了求出各种振形下的振形函数Wk，以及与之相应的频率ωk，我们取代入自由振动微分方程),()sincos(yxWtBtAw224twmwD然后消去因子(Acosωt十Bsinωt)，得出所谓振形微分方程024WDmW求得相应的频率ω。自由振动的频率，称为自然频率或固有频率，完全决定于薄板的固有特性，而与外来因素无关。实际上，只有当薄板每单位面积内的振动质量为常量时，才有可能求得函数形式的解答。这时，命如果可以由这一微分方程求得W的满足边界条件的非零解，即可由相应的关系式(对任意的一点(x,y)都成立）WWmD4242Dm则振形微分方程简化为常系数微分方程024WDmW044WW现在就可能比较简便地求得W的满足边界条件的、函数形式的非零解，从而求得相应的γ值，然后再用式42Dm求出相应的频率。将求出的那些振形函数及相应的频率取为Wk及ωk，代入表达式11),()sincos(kkkkkkkkyxWtBtAww就有可能利用初始条件求得该表达式中的系数Am及Bm。设初始条件为则由上式得),(),()(0000yxvtwyxwwtt),(),(),(),(0101yxvyxWByxwyxWAkkkkkkk于是可见，为了求得Am及Bm，须将已知的初挠度w0及初速度v0展为Wm的级数，这在数学处理上是比较困难的。因此，只有在特殊简单的情况下，才有可能求得薄板自由振动的完整解答，即任一瞬时的挠度。在绝大多数的情况下，只可能求得各种振形的振形函数及相应的频率。但是，这也就可以解决工程上的主要问题了。第二节四边简支的矩形薄板的自由振动当矩形薄板的四边均为简支边时，可以较简单地得出自由振动的完整解答。取振形函数为其中k及n为整数，可以满足边界条件。代入振形微分方程bynaxkWsinsin044WW得到0sinsin4222224bynaxkbnak为了这一条件在薄板中面上的所有各点都能满足，也就是在x和y取任意值时都能满足，必须有04222224bnak2222244bnak得到得出求自然频率的公式mDbnakmD22222442命k及n取不同的整数值，可以求得相应于不同振形的自然频率当薄板以这一频率振动时，振形函数为而薄板的挠度为bynaxkWknsinsinmDbnak22222bynaxktBtAwknknknknsinsin)sincos(当k＝n＝1时，得到薄板的最低自然频率mDbamDbnak22222222min11与此相应，薄板振动的振形函数为而薄板在x方向和y方向都只有一个正半弦波。最大挠度发生在薄板的中央(x＝a／2，y＝b／2)。byaxWsinsin11当k＝2而n＝1时，自然频率为相应的振形函数为薄板在x方向有两个正弦半波，而在y方向只有一个正弦半波。对称轴x＝a／2是一根节线(挠度为零的线，亦即在薄板振动时保持静止的线）。振形如图所示，图中的有阴线部分及空白部分表示相反方向的挠度。mDba2222114byaxWsin2sin21xy薄板的总挠度为bynaxktBtAwknknknknknsinsin)sincos(11为了求得Am及Bm，须将已知的初挠度w0及初速度v0展为Wm的级数yxbynaxkvabDyxbynaxkwabCbynaxkDvbynaxkCwabknabknknknknknddsinsin4ddsinsin4sinsinsinsin000000110110根据初始条件为),(),()(0000yxvtwyxwwtt可得knknknknknDBCAbynaxktDtCwknknknknknknsinsin)sincos(11当矩形薄板的四边均为简支边时，可以较简单地得出自由振动的完整解答。第三节两对边简支的矩形薄板的自由振动其中Yk是待定的y的函数。W可以满足该两简支边的边界条件。将其代入振形微分方程取振形函数为axkYWksin044WW得出常微分方程0dd2dd24442222244kkkYakyYakyYxy它的特征方程是在大多数的情况下，γ2k2π2/a2，而上面所示的四个根是两实两虚，取正实数而这个代数方程的四个根是02244422224akrakr22222222akak22222222222222akDmakakDmakDm上述四个根成为±α及±iβ，而微分方程的解可写为yCyCyCyCYksincosshch4321从而得振形函数的表达式axkyCyCyCyCWsin)sincosshch(4321在少数的情况下，γ2k2π2/a2，而上面所示的四个根都是实根，取正实数DmakakDmakak22222222222222'从而得振形函数的表达式axkyyCyyCyCyCWsin)'sh'chshch(4321不论在哪一种情况下，都可由y＝0及y＝b处的四个边界条件得出Cl至C4的一组四个齐次线性方程。相应于薄板的任何振动，振形函数W必须具有某一个非零解，因而系数Cl至C4不能都等零。于是可以命上述齐次线性方程组的系数行列式等于零，从而得到一个计算自然频率的方程。振型函数应满足边界条件。例如，设y＝0的一边为简支边，而y＝b的一边为固支边，则有如下的四个边界条件：将W的表达式代入(γ2k2π2/a2)，得到Cl至C4的齐次线性方程组，00)(00)(0220bybyyyywwyww0cossinchsh0chsinchcosshch004321432121221bCbCbCbCbCbbCbbCbCCCC上列方程可以改写为命这一方程组的系数行列式等于零，展开以后，进行一些简化，最后可得出0ththbbbb0//th//th2222222222222222ambambambamb求得γ2的实根，即可求得自然频率ωmD2用如上方法求得的最低自然频率，可以表示成为依赖于边长比值a／b算得的系数k值，并以表来表示。这样进行计算，虽然可以求得自然频率的精确值，但代数运算和数值计算都是比较繁的。因此，在工程实践中计算矩形板的自振频率，特别是最低自然频率，不论边界条件如何，都宜用差分法或能量法。第四节圆形薄板的自由振动对于圆形薄板的自由振动，也可以与上相同地进行分析。在极坐标中，薄板的自由振动的微分方程仍然是现在，仍然把微分方程的解答取为无数多简谐振动的叠加224twmwD11),()sincos(kkkkkkkkrWtBtAww为了求出各种振形下的振形函数Wk，以及与之相应的频率ωk，我们取),()sincos(rWtBtAw代入自由振动微分方程224twmwD024WDmW仍然得出振形微分方程可以改写为044WW或0))((2222W011222222Wrrrr或取振形函数为如下的形式：nrFWcos)(其中n=0，1，2，…。相应于n＝0，振形是轴对称的。相应于n＝1,2；圆板的环向围线将分别具有一个及两个波，板的中面将分别具有一根或两根径向节线，余类推。将上式代入式011222222Wrrrr得常微分方程0dd1dd2222FrnrFrrF或引用无因次的变量x＝γr而得这一微分方程的解答是0dddd22222FnxxFxxFx)()()()(4321xKCxICxNCxJCFnnnn其中Jn(x)及Nn(x)分别为实宗量的、n阶的第一种及第二种贝塞尔函数，In(x)及kn(x)分别为虚宗量的、n阶的第一种及第二种贝塞尔函数（又称修正贝塞尔函数）。贝塞尔函数将上式代入如果薄板具有圆孔，则在外边界及孔边各有两个边界条件。利用这四个边界条件，可得出的一组Cl至C4四个齐次线性方程。命这一方程组的系数行列式等于零，可以得出计算频率的方程，从而求得各阶的自然频率。nrFWcos)(即得振形函数如下：nxKCxICxNCxJCWnnnncos))()()()((4321由板边的两个边界条件，可以得出Cl及C3的一组两个齐次线性方程，命方程组的系数行列式等于零，也就得出计算自然频率的方程。如果薄板无孔，则在薄板的中心(x＝γr＝0)，Nn(x)及Kn(x)成为无限大。为了使W不致成为无限大，须在式中取C2＝0，C4＝0。于是式简化为nxICxJCWnncos))()((31参见习题15－3。第五节用差分法求自然频率在前两节中提到的那几种简单情况下，才可能求得振形微分方程的函数形式的非零解，从而求得薄板自然