拉格朗日方程法建立多自由度振动系统运动方程

作者:小橘猫 | 创建时间: 2023-05-28
对于建立多自由度振动系统的运动偏微分方程,你是否依然使用经典的牛顿第二定理来推导系统振动方程呢?如果是这样的话,你就太out,经典牛顿法固然概念明确、方法简单、物理意义明确,但是它对于复杂的多自由度振动系统进行推导运动方程是不方便的,甚至是...
拉格朗日方程法建立多自由度振动系统运动方程

操作方法

一、广义坐标 物体的机械运动规律可用不同的坐标系统表示,我们把秒速系统位形所需要的独立参数或独立坐标称为广义坐标,通常用q1,q2,q3,......qn表示,其中n为独立坐标个数。广义坐标具有以下几种性质: 1.    完备性:广义坐标可以确定系统任意时刻的位形和形状; 2.    独立性:同一组广义坐标之间相互独立、是线性无关的,之间互无函数关系; 3.    不唯一性:一个系统的广义坐标是不唯一的,但个数都等于系统自由度数,且都能用来描述系统的振动规律。

二、广义力 与广义坐标对应的是广义力,广义力是广义上的力,它的量纲有它与广义坐标虚位移的乘积为功的物理量纲决定的,即:若广义坐标为线位移,则广义力就是通常意义上的作用力;若广义坐标为角位移,则广义力就是力矩。

三、拉格朗日方程 根据拉格朗日理论可知,振动系统的运动方程可以用动能、势能和耗散能表达成下图所示的表达式:

四、拉格朗日方程法的步骤 利用拉格朗日方程建立系统运动偏微分方程,可以避免未知约束反力的出现,简化推导过程,其解题步骤可归纳为: (1)    首先判断系统的自由度数,并选取适当的广义坐标系; (2)    以广义坐标和广义速度建立系统的动能T表达式; (3)    当主动力是保守力,建立用广义坐标表示的只能U的表达式; (4)    对于有阻尼情况,应该单独考虑阻尼,计算相应广义速度对应的耗散能函数D; (5)    当有非保守力时,计算广义坐标qi对应的广义力Qi (6)    将T、V、D和Qi ,代入拉格朗日方程进行运算,即可得到振动系统的运动偏微分方程。

五、算例分析 建立如下图1所示的三自由度质量-阻尼-弹簧振动系统的振动方程。 解:如图所示,建立坐标系,眼水平振动方向选择广义坐标系(x1,x2,x3),则按上节所述步骤,依次求解。求解过程如下图2所示。

温馨提示

注意系统是否有非保守力对应的广义力
系统是否存在能力耗散
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