對(duì)稱非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)精確解算法比較

張　淼，　于　瀾

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

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對(duì)稱非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)精確解算法比較

張淼，于瀾

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012)

摘要：分別采用頻響函數(shù)法和復(fù)頻率響應(yīng)法對(duì)同一個(gè)數(shù)值算例進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、使用條件和范圍以及誤差來(lái)源分析，闡述了兩種算法在工程執(zhí)行過(guò)程中的特點(diǎn)及效率。

關(guān)鍵詞：非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)； 動(dòng)力響應(yīng)； 頻響函數(shù)矩陣； 標(biāo)號(hào)現(xiàn)象

0引言

振型迭加法是動(dòng)力分析中一種成熟且得到廣泛應(yīng)用的方法，尤其是對(duì)那些振型關(guān)于阻尼矩陣具有正交性的系統(tǒng)十分有效，這種系統(tǒng)稱為經(jīng)典阻尼系統(tǒng)，而當(dāng)振型迭加法推廣至非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)時(shí)，其計(jì)算響應(yīng)的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜[1]。但如果將在N維空間中描述的非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)轉(zhuǎn)入2N維狀態(tài)空間中描述，利用復(fù)模態(tài)構(gòu)造狀態(tài)向量，使用狀態(tài)向量對(duì)角化狀態(tài)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)方程的解耦[2]，再把得到的響應(yīng)解返至N維空間中，求得用復(fù)模態(tài)參數(shù)表達(dá)的非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)解(解析解)的算法，一般稱為復(fù)模態(tài)法或復(fù)頻率響應(yīng)法[3]。當(dāng)然這種算法也可用于求解經(jīng)典阻尼系統(tǒng)，但需使用實(shí)模態(tài)參數(shù)表達(dá)[4]。近年來(lái)，又有文獻(xiàn)[5]提出了基于頻響函數(shù)計(jì)算經(jīng)典和非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)精確解的新方法，與振型迭加法只能求解經(jīng)典阻尼系統(tǒng)、復(fù)頻率響應(yīng)法用實(shí)模態(tài)參數(shù)求解經(jīng)典阻尼系統(tǒng)而用復(fù)模態(tài)參數(shù)求解非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)不同的是，這種新方法無(wú)論求解哪種阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)均使用的是實(shí)模態(tài)參數(shù)。

文中針對(duì)非經(jīng)典阻尼動(dòng)力系統(tǒng)，應(yīng)用目前文獻(xiàn)中已經(jīng)出現(xiàn)的求解振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)的解析解的兩種算法進(jìn)行詳細(xì)分析和算例比較，來(lái)說(shuō)明它們?cè)诰幊虒?shí)現(xiàn)過(guò)程中的使用條件、使用范圍、誤差來(lái)源和計(jì)算效率等，并指出利用模態(tài)參數(shù)求解響應(yīng)的過(guò)程中可能出現(xiàn)的標(biāo)號(hào)現(xiàn)象、重頻現(xiàn)象及規(guī)范化常數(shù)的異常現(xiàn)象等。

1實(shí)模態(tài)參數(shù)與復(fù)模態(tài)參數(shù)

描述自由度為N的線性阻尼離散系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程為

(1)

相應(yīng)地其強(qiáng)迫振動(dòng)方程為

(2)

式中:M∈RN×N----對(duì)稱系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;

C∈RN×N----對(duì)稱系統(tǒng)的阻尼矩陣;

K∈RN×N----對(duì)稱系統(tǒng)的剛度矩陣。

結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，作拉普拉斯變換x(t)=uewt=uejωt代入式(1)可得

(w2Mu+wCu+Ku)ewt=0

設(shè)每個(gè)實(shí)模態(tài)的正則化系數(shù)為ai，即

?i=1,2,…,N

記aiξi=vi，稱為無(wú)阻尼正則固有振型，簡(jiǎn)稱為振型，則V=[v1,v2，…,vN]為振型矩陣，那么此時(shí)模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度矩陣分別為

(3)

VTKV=diag(k1,k2，…,kn)=

(4)

對(duì)經(jīng)典阻尼系統(tǒng)有

(5)

即模態(tài)阻尼矩陣為對(duì)角陣，其中阻尼比為

r=1,2,…,N

上面式(3)和式(4)為無(wú)阻尼正交條件，應(yīng)用時(shí)有兩個(gè)問(wèn)題要注意，一個(gè)是要注意標(biāo)號(hào)現(xiàn)象的出現(xiàn)，例如按式(3)所示，應(yīng)該有

i≠j;i,j=1,2,…,N

但很多應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)例如下式

而

的現(xiàn)象發(fā)生，稱為標(biāo)號(hào)現(xiàn)象[6]。一旦發(fā)現(xiàn)標(biāo)號(hào)現(xiàn)象，要注意調(diào)整振型矩陣的標(biāo)號(hào)次序，使式(3)成立。另一個(gè)問(wèn)題是，一般情況下只要是單頻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即系統(tǒng)的固有頻率全不相同，那么式(3)就自動(dòng)滿足，但當(dāng)系統(tǒng)雖為重頻系統(tǒng)，也存在式(3)時(shí)，那么此重頻系統(tǒng)的響應(yīng)求解也可按文中提及的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于擴(kuò)大了文中算法的使用范圍。

考慮阻尼時(shí)的系統(tǒng)極點(diǎn)及復(fù)模態(tài)對(duì)(λi,ui)(i=1,2,…,2N)滿足方程

對(duì)于N自由度振動(dòng)系統(tǒng)，特征方程det[λ2M+λC+K]=0有2N個(gè)呈復(fù)共軛對(duì)出現(xiàn)的特征值λ1,λ2,…,λ2N(其中λi+1為λi的共軛(i=1,3,…,2N-1))，稱為系統(tǒng)的極點(diǎn)。這些頻率對(duì)應(yīng)著一組呈復(fù)共軛對(duì)出現(xiàn)特征向量ui∈CN稱為系統(tǒng)(1)與λi相對(duì)應(yīng)的第i個(gè)模態(tài)向量。將u1,u2,…,u2N(其中ui+1為ui的共軛(i=1,3,…,2N-1))稱為復(fù)模態(tài)。它們的正交條件的形式有很多[7]，文中采用如下形式

對(duì)于N自由度振動(dòng)系統(tǒng)，特征方程det[λ2M+λC+K]=0有2N個(gè)呈復(fù)共軛對(duì)出現(xiàn)的特征值λ1,λ2,…,λ2N(其中λi+1為λi的共軛(i=1,3,…,2N-1))，稱為系統(tǒng)的極點(diǎn)。這些頻率對(duì)應(yīng)著一組呈復(fù)共軛對(duì)出現(xiàn)特征向量ui∈CN稱為系統(tǒng)(1)與λi相對(duì)應(yīng)的第i個(gè)模態(tài)向量。將u1,u2,…,u2N(其中ui+1為ui的共軛(i=1,3,…,2N-1))稱為復(fù)模態(tài)。它們的正交條件的形式有很多[7]，文中采用如下形式

(6)

(7)

其中狀態(tài)向量矩陣為Φ=[φ1,φ2,…,φ2N]，狀態(tài)向量為φi=[uiλiui]T(i=1,2,…,2N)，且

需要說(shuō)明的是，復(fù)模態(tài)參數(shù)的標(biāo)號(hào)現(xiàn)象可能更為常見(jiàn)，也如前文所述的方法加以處理，即可實(shí)現(xiàn)正交式(6)和式(7)，使標(biāo)號(hào)現(xiàn)象并不致妨礙算法的應(yīng)用。

2非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的精確算法比較

當(dāng)式(5)不能成立，即模態(tài)阻尼矩陣VTCV為非對(duì)角矩陣，那么系統(tǒng)為非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)。當(dāng)然，對(duì)非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)不能再使用振型迭加法，目前文獻(xiàn)[5]中提出了基于頻響函數(shù)求解非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)的方法。

2.1　基于頻響函數(shù)法

對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)式(2)，取激勵(lì)為簡(jiǎn)諧激勵(lì)，f=[F1,F2,…,FN]Tsinωt，則

(8)

其中

(9)

(10)

根據(jù)矩陣代數(shù)理論，矩陣函數(shù)

(11)

2.2　復(fù)頻率響應(yīng)

對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)式(2)，取激勵(lì)為f=Fejωt，F(xiàn)=(F1,F2,…,FN)T，其復(fù)頻率響應(yīng)為

(12)

其復(fù)數(shù)解Xejωt中取虛部即為對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)諧激勵(lì)f=Fsinωt的響應(yīng)解，這里λi,ui為復(fù)模態(tài)參數(shù)，u1,u2,…,uN為滿足正交性條件式(6)的規(guī)范化復(fù)模態(tài)。

3數(shù)值算例

文中考慮文獻(xiàn)[8]中給出的一個(gè)5自由度的質(zhì)量彈性阻尼系統(tǒng),此時(shí)

圖1　響應(yīng)的擬合曲線

接下來(lái)以第1自由度為例，用復(fù)頻率響應(yīng)算法(式(12))來(lái)計(jì)算響應(yīng)，并與基于頻響函數(shù)計(jì)算的響應(yīng)值進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2　兩種算法計(jì)算的第1自由度響應(yīng)值的對(duì)比圖

基于頻響函數(shù)求解非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)方法與N-mark法同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)的比較結(jié)果，請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。由文中的數(shù)值計(jì)算過(guò)程及結(jié)果可知：

1)復(fù)頻率響應(yīng)法與基于頻響函數(shù)法在理論上都是計(jì)算非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)響應(yīng)的精確算法。

2)但在用復(fù)頻率響應(yīng)公式編程計(jì)算時(shí)，因?yàn)槭褂玫氖菑?fù)模態(tài)參數(shù)，所以出現(xiàn)的標(biāo)號(hào)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且當(dāng)系統(tǒng)自由度較多時(shí)，不僅在調(diào)整標(biāo)號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)正交條件式(6)時(shí)遇到很大困難，而且規(guī)范化常數(shù)為復(fù)數(shù)，規(guī)范化后ΦTAΦ為近似單位陣，效果并不理想，導(dǎo)致復(fù)頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。而基于頻響函數(shù)法計(jì)算響應(yīng)的算法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于使用的是實(shí)模態(tài)參數(shù)，即使出現(xiàn)標(biāo)號(hào)現(xiàn)象，調(diào)整標(biāo)號(hào)的工作量也縮小了一倍，而且規(guī)范化常數(shù)為實(shí)數(shù)，規(guī)范化效果十分精確，體現(xiàn)其良好的工程應(yīng)用性和計(jì)算效率。

4結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用中，振型迭加法和相關(guān)的里茲向量法，以及直接積分法等各種方法可以組合使用來(lái)求解非經(jīng)典阻尼系統(tǒng)，但多數(shù)情況下只能得到數(shù)值解。事實(shí)上為了更好地理解結(jié)構(gòu)行為，用于諧波分析和響應(yīng)譜分析，或許無(wú)論如何都要計(jì)算固有頻率和振型，這時(shí)由文中的分析可知，基于頻響函數(shù)的計(jì)算響應(yīng)算法就會(huì)體現(xiàn)出良好的操作適應(yīng)性，尤其可貴的是它得到的是響應(yīng)的精確解。

參考文獻(xiàn)：

[1]Greco A， Santini A. Comparative study on dynamic analysis of non-classically damped linear system[J]. Structural Engineering and Mechanics,2002,14(6):679-698.

[2]張淼，于瀾，鞠偉.重頻系統(tǒng)的頻率靈敏度分析算法研究[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014，46(3)：39-43.

[3]郭興旺，鄒家祥.對(duì)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的六種動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析方法的評(píng)述[J].振動(dòng)與沖擊,1996，15(2)：43-46 .

[4]張淼.實(shí)模態(tài)向量梯度算法[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013，34(5)：551-554.

[5]張淼，于瀾，鞠偉.基于頻響函數(shù)矩陣計(jì)算阻尼系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的新方法[J].振動(dòng)與沖擊,2014，33(4)：161-166.

[6]張淼，于瀾，鞠偉.復(fù)模態(tài)正交性理論的異?，F(xiàn)象及對(duì)策分析[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2014，35(10)：1081-1091.

[7]SondiponA,FriswellMI.Eigenderivativeanalysisofasymmetricnon-conservativesystems[J].InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,2001,51(6):709-733.

[8]張淼，于瀾，鞠偉.重頻結(jié)構(gòu)模態(tài)靈敏度分析的高精度截模態(tài)算法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2014，27(4)：526-532.

Algorithm comparison for the solution of

symmetric non-classical damped system

ZHANG Miao,YU Lan

(School of Science, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Both the frequency response matrix and complex frequency response method are applied to the same problem, for analyzing the transient response, applied condition & range and errors. The features and efficiency of the two algorithms are discussed.

Key words：non-classically damped system; dynamic response; frequency response matrix; label phenomenon.

作者簡(jiǎn)介：張淼(1972-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工程學(xué)院副教授，博士,主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動(dòng)控制方向研究,E-mail:zm7209@163.com.

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳"十二五"科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2014336)； 2014年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201411437028)

收稿日期：2014-06-21

中圖分類號(hào)：O 321; TB 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0107-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.22