均匀弦动力学涉猎

1 绪论

弦振动是生活中常见的实际问题,均匀弦是其中比简单一种情况。本文将研究均匀弦自由振动的动力学方程,求解方程并引出振型模态和振动广义自由度的概念。推出弦振动的广义运动方程,进而推广到均匀弦非自由振动的情况。

本文涉及到的知识有,但不限于:理论力学、材料力学、高等数学、线性代数。

注:书中所列的公式博主都尽量推了一遍。然而由于数学功底不足,对于书中一少部分简略了的公式步骤任然没能推出。它们后面均以“(?)”标注。请读者讨论。

2 模型建立与化简

2.1 模型建立

集中力在半展长处的弦

如图所示,一个初始长为l0的弦在x方向被拉伸,固定于两墙之间,墙的距离为l,大于l0。x处t时刻,横向位移表示为v(x,t),纵向位移表示为u(x,t)

取出一段微元,如图所示:

集中力在半展长处的弦

微元忽略二阶以上的级数。此微元质量为mdx,其中m为线密度。T为左侧弦拉力。β为左侧弦切线与x轴夹角。

由质心运动定理,并投影到x和y方向得:

Fx=mdxacx,Fy=mdxacy(2.1.1)

其中:

Fx=(T+xTdx)cos(β+xβdx)Tcosβ

由于弦为微振动:

cos(β+xβdx)cosβ

则:

Fx=xTdxcosβ

另外:

x(Tcosβ)=xTcosβsinβxβTxTcosβ(sinβ0)

于是:

Fx=x(Tcosβ)dx(2.1.2)

另一方面:

uc=2u+(u+xudx)=u+21xudxu

故:

acx=t22u(2.1.3)

(2.1.2),(2.1.3)代入(2.1.1)的前一式中:

x(Tcosβ)=mt22u(2.1.4)

同理,对于(2.1.1)的后一式有类似的推导:

x(Tsinβ)=mt22v(?)(2.1.5)

设应变为ϵ,由图可看出ϵ=dxdsdx,即ds=(1+ϵ)dx

如图中的几何关系:

sinβ=ds(v+xvdx)v=1+ϵ1xv(2.1.6)

cosβ=dsdxu+u+xudx=1+ϵ1(1+xu)(2.1.7)

因为cos2β+sin2β=1,则

ϵ=(1+xu)2+(xv)21(2.1.8)

EA为弦的纵向刚度,由材料力学可知:

T=EAϵ(2.1.9)

同时补充边界条件,即弦两端位移恒为零:

v(0,t)=v(l,t)=0(2.1.10)

至此,从(2.1.4)(2.1.10)为弦自由振动系统的数学模型。

2.2 模型化简

假设弦变形存在一个静平衡解,该解的所有函数与时间t无关,即:

u(x,t)=u(x)v(x,t)=0β(x,t)=0ϵ(x,t)=ϵ(x)T(x,t)=T(x)

将上面方程代入(2.1.4)(2.1.5),且由边界条件u(0)=0得:

T(x)=T0ϵ(x)=ϵ0=EAT0=lll0u(x)=ϵ0x

静平衡方程中T0相当大,则振动变形较小,可看成摄动量,因此可假设:

u(x,t)=ϵ0x+u(x,t)v(x,t)=v(x,t)β(x,t)=β(x,t)ϵ(x,t)=ϵ0+ϵ(x,t)T(x,t)=T0+T(x,t)(2.2.1)

另外,由于变形较小,β=sinβ,参照(2.1.6)

β=1+ϵ01xv(2.2.2)

(2.2.1)(2.2.2)代入(2.1.4)(2.1.5)中,忽略所有摄动量平方项和相乘项,得:

EAx22u=mt22u(?)1+ϵ0T0x22v=mt22v}(2.2.3)

由于EAT0所以纵向幅值非常小,不是我们感兴趣的。结合(2.1.9)可以看出ϵ01,因此上方程组第二项可写成:

T0x22v=mt22v

去掉摄动量上标,得:

Tx22v=mt22v(2.2.4)

这就是简化后的弦自由振动方程。

3 方程求解与振型模态的概念

3.1 方程的通解

对于弦自由振动方程(2.2.4),可以构造出解的形式,进而分离变量。

令:

v(x,t)=X(x)Y(t)(3.1.1)

代入(2.2.4),整理得:

mX(x)TX(x)=Y(t)Y¨(t)

上式中,因为方程两边各自为不同的独立变量的函数,方程成立的唯一方式是两边都等于同一个常数,令这个常数为ω2。则有:

TX(x)+mω2X(x)=0Y¨(t)+ω2Y(t)=0}

令:

α2=Tmω2(3.1.2)

则:

X(x)+α2X(x)=0Y¨(t)+ω2Y(t)=0}

于是可解出以上两个方程的通解:

X(x)=Asin(αx)+Bcos(αx)Y(t)=Csin(ωt)+Dcos(ωt)}(3.1.3)

其中:

ω=αmT(3.1.4)

α=0

v(x,t)的通解为所有XY的线性组合。

3.2 振型模态

由边界条件(2.1.10)得:

X(0)Y(t)=0X(l)Y(t)=0}

结合(3.1.3)得:

B=0Asin(αl)=0}

对上式第二式:当A=0时,位移恒为零,即静平衡状态。但我们求的是振动情况,所以A=0,于是:

α=αi=liπ(i=1,2,)

因此,对于i的每个整数值,存在一个特征值αi和一个与Xi关联的解,称为“特征函数”,它构成基于相应Yi的通解,则解可写成:

v(x,t)=i=1vi(x,t)=i=1sin(liπx)[Eisin(ωit)+Ficos(ωit)](3.2.1)

其中:

ωi=liπmT

观察(3.2.1)可以看出,对于任意给定的瞬时,横向变形由无穷个位置函数(是位置x的函数)乘上各自对应的时间函数之和。而且每个位置函数和时间函数关联于各自特征函数。这里的位置函数称为“模态振型”。ϕi(x)表示。对于弦的振动:

ϕi(x)=sin(liπx)(3.2.2)

另外,令:

ξi(x)=Eisin(ωit)+Ficos(ωit)(3.2.3)

则,弦振动函数可以表示为:

v(x,t)=i=1ϕi(x)ξi(t)(3.2.4)

3.3 模态振型的正交性的证明

所谓正交性即是说,一个函数序列和一个固定积分区间中,所有两个不同函数之积在固定区间的积分为零。

对于均匀弦,模态振型ϕi(x)(0,l)上满足正交性。即:

0lϕi(x)ϕj(x)dx{=0=0(i=j)(i=j)

而对于非均匀弦,m(x)为弦的线密度函数。则有类似的形式:

0lm(x)ϕi(x)ϕj(x)dx{=0=0(i=j)(i=j)

下面证明此式:

假设vi(x,t)=ϕi(x)ξi(x)为振动方程的一组特解。代入(2.2.4)得:

Tϕi(x)ξi(t)=m(x)ϕi(x)ξi¨(t)

由于ξi(x)为简谐函数,有:

ξi¨(t)=ω2ξi(t)

于是方程变为:

Tϕi(x)=m(x)ϕi(x)ωi2(3.3.1)

同理,对于另一个特解vj(x,t)=ϕj(x)ξj(x),有:

Tϕj(x)=m(x)ϕj(x)ωj2(3.3.2)

(3.3.1)乘以ϕj(3.3.2)乘以ϕi。相减并在(0,l)上积分得:

(ωi2ωj2)0lm(x)ϕi(x)ϕj(x)dx=T0l[ϕi(x)ϕj(x)ϕi(x)ϕj(x)]dx

右边可利用分部积分,上式可化为:

(ωi2ωj2)0lm(x)ϕi(x)ϕj(x)dx=T(ϕiϕjϕiϕj)0lT0l(ϕiϕjϕiϕj)dx=0

i=j时,ωi=ωj,则有:

0lm(x)ϕi(x)ϕj(x)dx=0(3.3.3)

上式表明两段固定的弦的模态振型构成正交集合。

i=j时,令积分等于Mi,即:

0lm(x)ϕi2(x)dx=Mi(3.3.4)

称为第i阶模态的广义质量。

特殊的,对于均匀弦

0lϕi(x)ϕj(x)dx=0,Mi=2ml(3.3.5)

3.4 模态振型正交性的使用

设均匀弦振动有一初始条件,即初始形状变形和初始速度:

v(x,0)=f(x)tv(x,0)=g(x)}

代入(3.2.1)得:

i=1Fisin(liπx)=f(x)i=1lEiiπmTsin(liπx)=g(x)}

两式分别乘以sin(jπx/l)dx,并沿弦长积分得:

0lf(x)sin(ljπx)dx=i=1Fi0lsin(liπx)sin(ljπx)dx0lg(x)sin(ljπx)dx=i=1lEiiπmT0lsin(liπx)sin(ljπx)dx}

利用正交性,即(3.3.5)得:

0lf(x)sin(ljπx)dx=Fj0lsin2(ljπx)dx=2Fjl0lg(x)sin(ljπx)dx=lEiiπmT0lsin2(ljπx)dx=2EjjπmT}

解出未知常数得:

Ei=iπ2Tm0lg(x)sin(liπx)dxFi=l20lf(x)sin(liπx)dx}(3.4.1)

得此初始条件下,弦的振动函数:

v(x,t)=i=1sin(liπx)[Eisin(ωit)+Ficos(ωit)](3.4.2)

4 弦振动的另一种解释——行波

弦的振动也可以看成波的传递,下面推导其数学模型。

假设弦振动的初始条件为,具有初始位移,但初始速度为零。即:

v(x,0)=f(x)tv(x,0)=g(x)=0

结合(3.4.1)(3.4.2)得:

v(x,t)=i=0sin(liπx)Ficos(mTliπt)(4.1)

Fi=l20lf(x)sin(liπx)dx(4.2)

v(x,0)=f(x)=i=0Fisin(liπx)(4.3)

由三角函数积化和差公式:

sinαcosβ=21[sin(α+β)+sin(αβ)]

(4.1)可写成:

v(x,t)=21i=1Fi{sin[liπ(x+mTt)]+sin[liπ(xmTt)]}

代入(4.3)得:

v(x,t)=21[f(x+mTt)+f(xmTt)](4.4)

这就是行波的数学模型。

对于以上方程可以做如下解释:

xL(x,t)x+mTtxR(x,t)xmTt

函数变为:

v(x,t)=21[f(xL)+f(xR)]

对比(4.3),方程可看为两个波形相叠加后取一半,这两个波形会随时间移动。一个向x正方向移动,一个向x负方向移动。

令:

V=mT

则,(4.4)可写为:

v(x,t)=21[f(x+Vt)+f(xVt)]

V称为传播速度。

f(x)的表达式(4.3)可以看出:

  1. f(x)为奇函数,即f(x)=f(x)。换句话说,波在墙面x=0处具有反射性。

  2. f(x)是关于x的周期为2l的周期函数,即f(x)=f(x+2nl)(n=0,±1,±2,)。结合1可以得出:f(x+l)=f(xl)=f(lx)。换句话说,波在墙面x=l具有反射性。

注意到物理模型要求f(x)的定义域为(0,l)。利用上面两条性质可以扩充定义域,让f(x±Vt)对于任意t有定义。即:

nlx+Vt(n+1)l(n=0,±1,±2,)

f(x±Vt)=(1)nf{(1)n[x±Vt+2(1)n2n1l]}(?)

下面举一实例:

如图所示为弦初始时刻波形图
集中力在半展长处的弦

t时刻两个波位移的绝对值用x表示。如图所示,细线表示两个波的各自位置,粗线表示弦振动行波情况(由两个波合成)。
集中力在半展长处的弦
可以看出波形经过2lm/T后恢复形状。

5 广义运动方程

前面的推导都是弦的自由振动,而实际情况下也有弦受外力的情况下振动,即非自由振动。而非自由振动则需要用广义运动方程求解。

5.1 广义坐标

观察(3.2.2)(3.2.3)(3.2.4)

ϕi(x)=sin(liπx)(3.2.2)

ξi(x)=Eisin(ωit)+Ficos(ωit)(3.2.3)

v(x,t)=i=1ϕi(x)ξi(t)(3.2.4)

(3.2.4)可写为:

v(x,t)=ϕ1(x)ξ1(t)+ϕ2(x)ξ2(t)+ϕ3(x)ξ3(t)+

写成向量的形式:

v(x,t)=(ϕ1(x)ϕ2(x)ϕ3(x))ξ1(x)ξ2(x)ξ3(x)

于是等号右边第二个向量可以看作第一个向量坐标系下的坐标值,即第一个向量代表广义坐标系,第二个向量代表广义坐标。

另外,由3.2节、3.3节、3.4节可以看出,ϕi(x)与初始条件无关,ξi(x)与初始条件有关。
所以对于弦自由振动问题,一旦其边界条件确定,广义坐标系ϕi(x)就随之确定。只需要通过初始条件确定广义坐标ξi(x)即可。

而对于非自由振动,其运动函数也可以看出广义坐标系和广义坐标的乘积。(书中没有证明)

5.2 广义运动方程

拉格朗日方程是动力学中普遍适用的方程:

dtd(ξ˙iL)ξiL=Ξi(i=1,2,3,)

其中,L=KP为拉格朗日量,即系统总动能K和总势能P之间的差。ξi为广义坐标。Ξi为广义力,代表所有非保守力以及没有计入总势能的保守力的作用。

5.2.1 弦的势能

不考虑重力影响,弦的势能考虑为等于其应变能:

P=210l0EAϵ2dx(5.2.1.1)

由2.1节可知:

ϵ=(1+xu)2+(xv)21(2.1.8)

将振动量看成摄动量,由2.2节可知:

u(x,t)=ϵ0x+u(x,t)v(x,t)=v(x,t)β(x,t)=β(x,t)ϵ(x,t)=ϵ0+ϵ(x,t)T(x,t)=T0+T(x,t)(2.2.1)

EA为常值,故(5.2.1)可化为:

P=2EA0l0(ϵ02+2ϵϵ+ϵ2)dx(5.2.1.2)

由于T0=EAϵ0。且积分中第一项为常量,可以忽略。(代入拉格朗日方程中,常量不影响方程成立)上式可化为:

P=T00l0ϵdx+2EA0l0ϵ2dx

(2.1.8)(2.2.1)得:

ϵ=xu+2(1+ϵ0)1(xv)2+(?)

代入(5.2.2)中省略xuxv的三次及以上项:

P=T00l0xudx+2(1+ϵ0)T00l0(xv)2dx+2EA0l0(xu)2dx

由边界条件得u(0,t)=u(l,t)=0,则第一项为零。
由于纵向位移得摄动与横向位移摄动是解耦的,且纵向振动频率非常高,则第三项可以去掉。
ϵ01。再去掉摄动上标:

P=2T00l0(xv)2dx

代入(3.2.4)得:

P=2T00l(i=1ϕiξi)2dx

上式中具有求和的平方,可以写作双重求和的形式,如下面的证明:

(i=13ai)2=(a1+a2+a3)2=a12+a22+a32+2a1a2+2a2a3+2a3a1=a1(a1+a2+a3)+a2(a1+a2+a3)+a3(a1+a2+a3)=a1i=13ai+a2i=13ai+a3i=13ai=j=13aji=13ai=j=13i=13aiaj

于是势能可写为:

P=2Ti=1j=1ξiξj0lϕiϕjdx

对于弦,振型和它们的一阶导数是正弦函数;因此,它们构成正交集合,即:

0lϕi(x)ϕj(x)dx=0(i=j)

则势能化简为:

P=2Ti=1ξi20lϕi2dx

利用分部积分:

0lϕiϕidx=ϕiϕi0l0lϕiϕidx

由边界条件得:ϕi(0)=ϕi(l)=ϕi(0)=ϕi(l),于是:

P=21i=1ξi20lϕiTϕidx

代入(3.3.1)

P=21i=1ξi20lm(x)ωiϕi2dx

结合(3.3.4)得:

P=21i=1Miωi2ξi2(5.2.1.3)

这就是弦的势能。

5.2.2 弦的动能

对于弦振动,其纵向位移u没有横向位移v显著,当为小扰动的时,在平衡状态点将它解耦,则动能可表示为:

K=210l0m(tv)2dx

代入(3.2.4)得:

K=210lm(i=1ϕiξ˙)2dx

和势能类似,求和平方简化为双重求和:

K=210li=1j=1ϕiξ˙iϕjξ˙jm(x)dx=21i=1j=1ξ˙iξ˙j0lm(x)ϕiϕjdx

利用正交性,即结合(3.3.3)(3.3.4)得:

K=21i=1Miξ˙i2(5.2.2.1)

这就是弦得动能。

5.2.3 弦的广义力

设弦上有分布载荷f(x,t),则其虚功为:

δW=0l0f(x,t)δv(x,t)dx

其中虚位移δv(x,t)可写作广义坐标的形式:

δv(x,t)=i=1ϕi(x)δξi(t)

于是虚功表达式为:

δW=0l0i=1f(x,t)ϕi(x)δξi(t)dx=i=1δξi(t)0l0f(x,t)ϕi(x)dx

广义力和真实力按照虚功原理等效:

i=1δξi(t)Ξi(t)=δW

于是,广义力为:

Ξi(t)=0l0f(x,t)ϕi(x)dx(5.2.3.1)

如果弦上x=xc处加载了集中力Fc(t),则引入狄拉克函数δ(xxc)即可。(注意:狄拉克函数的δ是函数符号与虚位移无关。 此外,有关狄拉克函数的详细介绍可以看这里。)这时,其等效分布载荷为:

f(x,t)=Fc(t)δ(xxc)

代入广义力公式:

Ξi(t)=0l0Fc(t)δ(xxc)ϕi(x)dx=Fc(t)0l0δ(xxc)ϕi(x)dx=fc(t)ϕi(xc)=Fc(t)sin(liπxc)(5.2.3.2)

其中:

\[\int_a^b f(x)\,\delta(x-x_c)\,{\rm d}x = f(x_c)\]

5.2.4 广义运动方程的推导

注意到广义动能(5.2.2.1)仅为广义坐标变化率的函数,广义势能(5.2.1.3)仅为广义坐标的函数。所以拉格朗日方程可写作:

dtd(ξ˙iK)+ξiP=Ξi

代入广义动能(5.2.2.1)、广义势能(5.2.1.3)得:

Mi(ξ¨i+ωi2ξi)=Ξi(5.2.4.1)

这就是广义运动方程。该方程也适用于非自由振动。(书中没有证明)

5.3 广义运动方程求解实例

如图所示,幅值为F0的集中阶跃函数的力作用在弦的中点处。
集中力在半展长处的弦
阶跃函数的定义为:

1(t)={01(t<0)(t0)

弦的初始振型为:

v(x,0)=hsin(l4πx)

且初始速度为零。
求其响应。

解:

广义力:

Ξi=0lF01(t)δ(x2l)ϕi(x)dx=F01(t)ϕi(2l)=F01(t)sin(2iπ)

其中

sin(2iπ)={0(1)2i1(i)(i)

代入广义运动方程(5.2.4.1)

Mi(ξ¨i+ωi2ξi)={0F01(t)(1)2i1(i)(i)

其通解为:

ξi={Aisin(ωit)+Bicos(ωit)Aisin(ωit)+Bicos(ωit)+Ci(i)(i)(5.3.1)

其中:

ωi=liπmT

下面处理初始条件:

弦具有初始振型:

v(x,0)=i=1ξi(0)ϕi(x)=i=2,4,Bisin(liπx)+i=1,3,(Bi+Ci)sin(liπx)=hsin(l4πx)

将等式乘以sin(jπx/l)dx,并沿弦长积分得:

h0lsin(l4πx)sin(ljπx)dx=i=2,4,Bi0lsin(liπx)sin(ljπx)dx+i=1,3,(Bi+Ci)0lsin(liπx)sin(ljπx)dx

利用正弦函数得正交性得:

B4=hBi=0Bi=Ci(ii=4)(i)(5.3.2)

另外,初始速度为零:

tv(x,0)=i=1ξ˙i(0)ϕi(x)=i=1ωiAisin(liπx)=0

将上式乘以sin(jπx/l)dx并沿弦长积分。同样利用正弦函数的正交性得:

Ai=0(5.3.3)

(5.3.2)(5.3.3)代入(5.3.1)得:

ξi=0hcos(ωit)Ci(ii=0)(i=4)(i)

ξi=Ci(i)代入广义运动方程(5.2.4.1)

MiCiωi2=F0(1)2i1

对于均匀弦代入(3.3.5)第二式得:

Ci=T(iπ)22lF0(1)2i1

则广义运动方程的解可以写成:

ξi=0hcos(ωit)T(iπ)22lF0(1)2i1(ii=0)(i=4)(i)

代入到弦振动函数(3.2.4),得到响应:

v(x,t)=hcos(ω4t)sin(l4πx)+Tπ22lF0i=1,3,i2(1)2i1[1cos(ωit)]sin(liπx)ωi=liπmT

解答完毕。

6 总结

均匀弦的振动是最简单的弹性体振动模型,可利用此模型框架建立出均匀梁扭转弯曲的动力学模型。


本文章使用limfx的vsocde插件快速发布