柔性梁的自振动分析属结构动力学范畴,在航天、土木与机械工程中有广泛的应用背景,也是工程学院研究生课程中的一个重要题目。美国eComputingX公司最近推出了近90个在线科学计算软件工具(online software tools for scientific computing),其中一个恰好适用于Euler-Bernoulli梁的自振动分析:
SD-01: Vibration of Euler-Bernoulli Beams – Eigensolutions
这个在线软件工具可用于智能手机与平板电脑(常规的电脑当然也行)。工具SD-01对工程师、教授与学生都非常有用。您如果不是eCX的会员,也可以点击SD-01使用有限版的工具。
在线软件工具SD-01对均匀分布Euler-Bernoulli梁的特征值问题求解,在梁的任意边界条件(支撑条件)下给出自振频率与振型函数精确解析解,并对任意选定振型进行动漫演示(animation)。跟据该工具的参考资料(Subject Review),图1中梁的横向振动位移w由下面偏微分运动方程与边界条件所控制:
式中各参量定义如下:
梁边界条件的表达式见表1。
设梁位移为
将其带入运动方程可得常微分方程
与相应边界条件,其中
根据上面方程,梁的振型函数可表达为
其中未知常数a1, a2,a3, a4 由梁的边界条件确定。将u(x)的表达式带入边界条件,最终可得一个梁的特征方程(超越方程)
这个方程有无穷多的根
梁的自振频率可由这些根来表达:
现在来看如何使用SD-01求解。打开工具页面,可见图形用户界面(graphic user interface or GUI for short)如下:
我们的问题是:
梁的边界条件:左端固支,右端滑动
梁的参数:r = 0.15, E = 8,000, I = 0.24, L = 3.78
根据上面数据修改GUI页面,得
点击Run键进行计算,立即得到结果(另起新的一页)如下图所示:
上图所显示的是梁的前四个自振频率与相应的振型函数。此外,还有一个选定模态的动漫演示:
你如果点击图中上方的“Analysis”标签,即可得到振型函数的解析表达式如下
除了SD-01,eComputingX的结构动力学工具箱中还有其他有用的工具:
感兴趣者可点击链接https://www.ecomputingx.com/tools.jsp 浏览。
捷算通
http://blog.creaders.net/JSTong/
2015/05/27
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