Материал: Прочность, устойчивость, колебания. Т. 3

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

15. Вид связи между частотой и амплитудой спободных колебаний в зависимости от характеристики восстанавливающей силы

свободы степенью одной с систем нелинейных Колебания

258 Основы теории колебаний механических систем

/г— п-1

Результаты вычислений коэффициентов при у — д 2 для различ­

ных значений л даны в табл. 16. Приведенные в табл. 16 точные значения ф (л) вычислены по формуле для случая 3 в табл. 14.

 

л—1

16. Результаты вычислений коэффициентов при

а 2

В случае несимметричной упругой характеристики следует учиты­ вать, что отклонения системы в обе стороны от положения равновесия

будут различными. Модули указанных отклонений а+ и

(рис.

17)

связаны между собой соотношением

 

 

 

|

Р{У)<1у = 0,

(83)

нз которого можно выразить одно

из отклонений через

другое.

Среднее

положение

системы

(центр колебаний) смещено влево от начала координат на отрезок

Д = у (а_ — а+)

(84)

и полуразмах колебаний

 

1 ,

(85)

а = у ( а . ~Ьо+).

Частоту свободных колебаний определяют по приближенной формуле

а

 

1 р й - ^ У за!>

(86)

(по способу прямой линеаризации), или 2я

Колебания нелинейных систем с одной степенью свободы

259

(первое приближение по способу Бубнова-Галеркина или Кры Богомолова).

Вынужденные колебания систем без трения. Дифференциальное уравнение колебаний приводится к виду

ту +Р(У) = Р (/),

(88)

где Р (/) — возмущающая сила (или приведенное кинематическое воз­ мущение — см. формулу (35)]. Точное решение этого уравнения затруд­ нительно. В случае гармонического возмущения

 

 

Р (0 = Л>

©/

(89)

при симметричной упругой характеристике в первом приближении при­

нимают

закон

движения

 

 

 

 

у = а 5ш со/.

 

(90)

Для определения амплитуды а можно воспользоваться одним из

трех способов.

потребовать, чтобы решение (90) удовлетворяло дифферен­

1.

Если

циальному уравнению (88) только в положении равновесия и в крайних

отклоненных положениях системы, то для определения а получи нелинейное алгебраическое уравнение

 

 

Р (а) — шасо2 = Р0.

(91)

2.

По способу прямой линеаризации амплитуду а определяют из

нелинейного

алгебраического

уравнения

 

 

 

а =

т [р * (о )— шг] ’

(92>

где р2 (а) — функция амплитуды по формуле (78).

 

3.

По способу Бубнова-Галеркина (а также по способу Крылова-

Боголюбова)

амплитуду а находят из уравнения

 

 

 

2л

 

 

 

 

| Р (а з т ф) 5Ш ф Лф — шаш2 = Р0.

(93)

Типичная зависимость а = а (<о) (амплитудно-частотная характе­ ристика) для случая жесткой упругой характеристики при некотором фиксированном значении амплитуды возмущающей силы показана на рис. 18, а. Здесь же штриховой линией изображена скелетная кривая —

260 Основы теории колебаний механических систем

зависимость а (р) для задачи о свободных колебаниях (т. е. при Р 0= 0); с уменьшением амплитуды Р0возмущающей силы обе ветви амплитудночастотной характеристики приближаются к скелетной кривой.

При достаточно больших значениях частоты возмущения со решение неоднозначно: данной частоте со соответствует три значения амплитуды а колебаний. Устойчивыми являются колебания с наибольшей или наи­ меньшей амплитудой, колебания с промежуточным значением ампли­ туды неустойчивы и в действительности не реализуются.

 

На рис. 18, б сплошными ли­

 

ниями показаны только устойчи­

 

вые ветви амплитудно-частотной

 

характеристики.

Штриховыми

 

линиями

показано

изменение

 

амплитуды колебаний при посте­

 

пенном увеличении

частоты воз­

 

мущения

от нуля

до значения

 

со = о)* и

последующем умень­

Рис. 19

шении частоты

возмущения до

 

нуля. Одним из

отличительных

свойств вынужденных колебаний механических систем являются рез­ кие изменения амплитуды («срывы») при малых изменениях частоты возмущения, как это видно из рис. 18, б.

Амплитудно-частотная характеристика, типичная для систем с м кой нелинейностью, изображена на рис. 19.

Уравнениями (91)—(93) можно пользоваться и в случае, когда

амплитуда возмущающей силы пропорциональна квадрату

частоты:

Р0= а©2.

(94)

В этом случае амплитудно-частотная характеристика а (со) имеет более сложный вид, чем показано на рис. 19 или 20.

<*)

Р и с. 20

При действии возмущающей силы (89) на нелинейную систему коле­ бания с частотой возмущения © сопровождаются ультрагармониче-

скими колебаниями, имеющими более высокие частоты 2©, 3©,

а также субгармоническими колебаниями с частотами —■©, -^- ©,

2 о

Для определения амплитуд ультра- и субгармонических колебаний необходимо отказаться от описания колебаний законом (90) и строить высшие приближения. В частности, это можно сделать при помощи метода Бубнова-Галеркина, приняв выражение установившегося про­ цесса вынужденных колебаний в виде суммы

У = аж (0 + а2у2 (/) -1-------- 1- апуп (О,

(95)

Колебания нелинейных систем с одной степенью свободы

261

в которой уг (/), уг (/), — должным образом выбранные функции

вре­

мени; а1г а2,

— параметры, определяемые

из системы уравнений

2л

 

 

 

I

[ту + Р (У) — Р 0 51П 0)/] у1(/) (И = 0

 

о

(1 = 1, 2, .

.,я).

(96)

 

При сохранении одного члена суммы (95)

получается соотноше­

ние (93).

 

 

 

Амплитуды ультрагармонических колебаний в случаях слабой нелинейности малы по сравнению с амплитудой основной гармоники. Амплитуды субгармонических колебаний иногда могут быть весьма значительными, но эти колебания могут быть полностью подавлены демпфирующим действием достаточно больших сил трения.

В случае действия возмущающей силы, состоящей из двух гармон

Р = Рх51П < 0 -\~Р 2 5Й1 00а/,

на систему с нелинейной характеристикой

Р (у) = су + V!/3

приближенное решение имеет вид

У = а1 з т по>]/ + а2 з т соа/.

Амплитуды а1 и а2 определяют из нелинейной системы уравнений:

=____________ Рг_____________ .

(р“ — ©?) + ~4"

(а? + 2аг)

________________ Р з________________

(р2- ш 1 ) + - | - | - ( а2 + 2а?)

Влияние вязкого сопротивления. Для решения дифференциального уравнения вынужденных колебаний системы с нелинейной упругой характеристикой и вязким сопротивлением

ту + ку + Р {у) — Р0 з!п о /

(97)

(случай действия гармонического возмущения) в первом приближении принимают, что движение описывается законом

у = а з т (ш/ — у).

(98)

Амплитуда колебаний может быть определена из уравнения

 

Р (а) = VРр — (Ласо)2 + таю1

(99)

или из уравнения

 

а = -

( 100)

йаша

 

/ [ 1- -й)Т+т2р* (а)

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/74208