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文档简介
1、第一章 单自由度系统自由振动定性分析方法几何法或相平面法一、单自由度非线性振动例子 一般形式 0)(),(xfxxx 非线性阻尼力=0时,称为非线性保守系统非线性恢复力1、几何非线性 单摆的大摆动 方程)DuffingLgLg(0! 7! 5! 3sin0sin3207530 2、物理非线性 非线性弹簧f(x)x线弹簧硬弹簧软弹簧分段线性弹簧3、因惯性引起的非线性Nranraeamgsin22RaRaRaenrr 柯氏加速度垂直于该平面利用牛顿第二定律有:0sincossinsin)cossin(22RgmgRRm 4、非线性阻尼(1)干摩擦(2)流体阻尼 (3)滞后阻尼(材料阻尼) (4)负
2、阻尼 )()(xNsignx)()(xNsignxxxgx)()(Vx二、位形空间、相空间、相平面位形空间:用 为坐标轴的N维正交坐标系。轨迹相空间: 令 原二阶微分方程组变为一阶微分方程组 以状态变量作为坐标轴,建立正交坐标系,称为相空间。在单自度自治系统中退化为相平面。 自治系统在相空间的曲线称为相轨线。iqiq), 2 , 1(NiqxqxiNiiiiniixNitxxxfx)2, 2 , 1(),(21称为状态变量三、单自由度保守系统的定性分析 0)(0)(0 xfxxfx 或化为状态方程:) 1 ()(xfyyx状态空间为(x,y), 于是)3()(21)()2()(2HxUydxx
3、fydyyxfdxdy1、相轨线的某些普遍性质(1)在平面上,(3)式代表等能量线,也是方程(1)的积分曲线,只有当总能量大于势能时,速度 才有实数解,而且y关于X轴对称。(2) (2)式决定了相平面上的一个方向场: f(x)=0 处有水平切线,y=0时,有竖直切线;当f(x),y同时为零时,相轨线的斜率不定,称这一点为奇点, 奇点的速度、加速度都为零,代表了平衡点,其它各点的斜率都是确定 的,称为正常点,所以保定系统的相轨线在正常点是互不相交的。Hxyyxdxdyxyxx202202021210 xy奇点是稳定的,自由振动是周期的,称为中心2、相轨线的局部性质根据势能函数U(x)的各处形态,
4、讨论相轨线在奇点附近的局性质(1)U(x)为单调函数(2)势能函数有孤立的极大值 (鞍点)(3)势能有孤立的极小值 (中心)21)(222)(22xxxUHdxTydxdtdtdxyxUHy周期T是总能量的函数(4)势能函数有拐点 (尖点)如果已知势能函数,还可通过U(x)对x的二阶导数来确定奇点的性质3、在整个相平面上相轨线的性质四、相轨线的两种作图方法(1)等倾线法xmkyormykxmdxdyykxdxdykxyyxkxx,0 (2)李纳尔特作图法首先在相平面上作曲线yxxdxdyxxyyxxxx)()(0)( )(yxPA的斜率与相轨线在P点的斜率相同五、耗散系统相平面上的相轨线(1)奇点的分布与对应保守系统的奇点分布完全相同,但奇点的类型可 能不同。(2)相轨线必穿过对应保守系统的相轨线,且从高能量向低能量线前进。(3)耗散系统没有封闭的相轨迹,所以不存在周期运动
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