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4.2 一般阻尼动力学问题固有频率的解法

当系统阻尼不能被忽略,且阻尼模式也不能简单地简化成瑞雷阻尼时,其固有频率的求解将很困难。按照常规方法,一般需要求解一个规模大、系数矩阵非对称的复模态问题。如果引入矩阵摄动理论 [21,22] ,这个问题可以得到解决。

对于由式(4-4)所控制的多自由度阻尼系统,如果给其以谐激励力 F t = A e j ωt ,则系统具有非平凡解的条件是

由于式(4-11 )是一个典型的复特征值问题,因此直接求解比较困难,但考虑到阻尼矩阵与刚度矩阵、质量矩阵相比范数较小,故可将其理解成一个小参数ε和一个矩阵 C ε 的乘积,即

将式(4-12)代入式(4-11),就形成了一个矩阵摄动问题。按照矩阵摄动理论,方程的解 ω A 可以展成小参数 ε 的级数:

式中, ω 0 ω 1 ω 2 A 0 A 1 A 2 分别对应的是阻尼系统固有频率及振型的0阶、1阶和2阶摄动解。将式(4-13)和式(4-14)代入式(4-11)中,比较式中 ε 同次幂的系数,可获得 ω A 的0阶、1阶和2阶摄动方程

显然,式(4-15 )就是常见的无阻尼系统特征值问题,按照常规方法就能解决。根据振型矢量的正交性,由式(4-16)和式(4-17)就能够很容易地得到固有频率的一次和二次摄动解为

式(4-18)和式(4-19)中的计算都是一些简单的初等矩阵运算,对于计算机来说都能快速完成。一旦固有频率的摄动解被得到,运用简单方法可以获得相应振型矢量的摄动解。同样方法,也可以得到固有频率更高阶的摄动解。对于大部分工程问题而言,二次摄动解已经能够达到一个很满意的精度。

上述算法是参考文献 [ 22,23 ] 的作者自己研究获得的,该算法在现有的结构分析软件中不能直接提供。但由于计算简单,有兴趣的读者完全可以利用常用计算分析软件(如ABAQUS和ANSYS)的编程、扩展及其他功能来实现该算法。 gEFXjr3f2CE6VWFsm2HzpQAUiufORFotBS7DUkvm3nSeg2gVaachmhkococlgbHz

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