重庆大学矩阵论大作业.doc

《重庆大学矩阵论大作业.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、矩阵分析在-------机械振动中的应用摘要：随着科学技术的迅速发展，古典的线性代数知识已不能满足现代科技的需要，矩阵的理论和方法业已成为现代科技领域必不可少的工具。诸如数值分析、优化理论、微分方程、概率统计、控制论、力学、电子学、网络等学科领域都与矩阵理论有着密切的联系，甚至在经济管理、金融、保险、社会科学等领域，矩阵理论和方法也有着十分重要的应用。本文采用了矩阵论中所学的矩阵相似变换、矩阵正交化及特征方程等相关知识，对多自由度系统的自振动的运动微分方程进行了研究分析，引入正则坐标并采用坐标变化法求得了振动系统的自由响应。关键词：多自由度系统，正则坐标，自由响应一、引言20

2、世纪60年代，随着计算机技术的进步，航空航天技术和综合自动化的发展需要，对于复杂的机械结构特性分析也越来越重要。而对于像航天器等复杂的机械结构需要用更多的自由度来描述，多自由度系统的振动方程式二阶常微分方程组。建立系统方程是振动分析的前提，但随着自由度的增多，所建立的系统运动微分方程也越来越复杂，对于离散系统运用牛顿第二定律的方式来对方程进行求解也越来越困难，为此发展了柔度系数法和刚度系数法，而拉尔朗日方程是建立系统控制方程的最通用方法，他使用功、能和广义力等物理量，得到了完全刻画系统的最少方程。本文只考虑阻尼矩阵能够被无阻尼振形矩阵对角化的情形，分析其基本理论方程，并用实例

3、进行论证求解。二、多自由度系统的自由振动理论本文主要对多自由度系统的自由振动进行求解，在介绍多自由度系统的振动之前，先介绍单自由度无阻尼的自由振动以便了解机械振动理论的基本原理。1.单自由度无阻尼系统的自由振动图1单自由度无阻尼系统对于单自由度系统而言，当系统受到激励时，根据牛顿第二定律，可以列出的运动微分方程为：(1.1)其中，m为物体的质量；k为弹簧的刚度；为物体的加速度；x为弹簧的伸缩量。该方程是一个二阶齐次线性常系数微分方程。这为之后的多自由度系统的运动分析提供了理论基础。2.多自由度无阻尼系统的自由振动多自由度系统和单自由度系统的振动特性是有区别的。单自由度系统受初

4、始扰动后，按系统的固有频率作简谐振动。多自由度系统有多个固有频率，当系统按某一个固有频率作自由振动时，各独立坐标在振动过程中相互关系是固定的，这个关系叫振幅比，也叫作主振型或模态。主振型是多自由度系统以及弹性体振动的重要特征。本文主要目的是通过无阻尼自由振动系统来介绍多自由系统的固有频率和振型，它们是多自由振动系统的重要特征。在无阻尼情况下，系统的自由振动微分方程可以表达为：(1.2)在单自由度系统中,我们得到无阻尼自由振动解为正弦函数或余弦函数,不失一般性。对于多自由度系统振动解可设为：(1.3)列向量和ω均为待定复常数。若系统是振动的，则解必为实数。将式(1.3)代入(1

5、.2)，得到下列代数齐次方程组：(1.4)上面的方程组存在非零解的充分必要条件是系数行列式为零，即：(1.5)式(1.5)为系统的特征方程，具体写出为：(1.6)上式左端的行列式展开后是关于的n次代数多项式：(1.7)称为特征多项式，由式(1.6)或(1.7)可解出n个称为特征值或特征根，将其按升序排列为：显然特征值仅取决于系统本身的刚度和质量参数。这n个特征值在大多数情况下互不相等且不为零，重根的零根说明系统有刚体运动。有零根和情况本书不再讨论，有兴趣的读者可参考相关的线性代数和振动理论书籍。在求得特征值后．把某一个代回式(1.4)，可求对应的列向量。由于式(1.4)的系数

6、矩阵不满秩，在没有重根和零根情况下只有(n-1)个是独立的，故只能求出列向量中各元素、、…的比例关系。我们去掉其中不独立的某一式(例如最后一式)，并将剩下的n-1个方程式中某一相同的项(如项)移到等式右边，可得代数方程组：我们去掉其中不独立的某一式(例如最后一式)，并将剩下的n-1个方程式中某一相同的项(如项)移到等式右边，可得代数方程组：(1.8)解上面的方程，可得到用表达的解、…，显然都与的值成比例。我们可将这些比例常数用表示，并补充，可得列向量，则有：(1.9)列向量是确定的常数，反映列向量中各数的比例关系，叫作特征向量。同比例放大或减小特征向量并不改变其比例关系，所以

7、应用时常根据需要来放大或减小特征向量。不失一般性，我们可在式(1.9)中用待定复常数取代，式(1.9)可写为：(1.10)这样，当成比例变化时，有相应的变化，对应不同的特征值，可得到不同的特征向量。对应于n个特征值可得n个特征向量…，且每一个特征向量都满足式(1.4)。对于一个振动系统，特征值就是系统的固有频率，特征值相对应的特征向量就是系统的振形。显然，对应于n个固有频率可得n个振形…。我们将在后面论述。显然，将及代入式(1.3)，可得n组满足方程(1.2)的解，将这些解相加，可得多自由度系统自由振动