dong luc hoc cong trinh - duong van thu

130
1 M 0 y P(t) Hình 1.1 K ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH Biên soạn: PGS. TS Dƣơng Văn Thứ CHƢƠNG 1: DAO ĐỘNG CỦA HỆ CÓ MỘT BẬC TỰ DO 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG 1.1.1 Khái niệm về chu kỳ và tần số Xét hệ trên hình 1.1. Hệ gồm khối lượng M được gắn vào một điểm cố định nhờ lò xo có độ cứng K (là phản lực phát sinh trong lò xo khi lò xo biến dạng một lượng bằng đơn vị). Khối lượng M chịu tác động của một lực động P(t) có phương theo phương của chuyển động (phương y), còn chiều và trị số thay đổi theo thời gian. Khối lượng M chuyển động, lực phát sinh trong lò xo thay đổi làm cho vật thực hiện một dao động cơ học. Tuthuộc vào quan hệ giữa lực lò xo và biến dạng của lò xo là tuyến tính , hay phi tuyến, mà ta có bài toán dao động tuyến tính hay dao động phi tuyến. Dao động của vật thuần túy do lực lò xo sinh ra khi M dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng ban đầu (do một nguyên nhân bất kỳ nào đó gây ra rồi mất đi) được gọi là dao động tự do hay là dao động riêng. Dạng chuyển vị của vật M được gọi là dạng dao động riêng. Nếu trong quá trình dao động luôn luôn tồn tại lực động P(t), ta có bài toán dao động cưỡng bức. Lực động P(t) còn được gọi là lực kích thích. Số các dao động toàn phần của khối lượng thực hiện trong một đơn vị thời gian, chỉ phụ thuộc vào các đặc trưng cơ học của hệ, gọi là tần số dao động riêng hay tần số dao động tự do, và được ký hiệu là f. Thời gian để thực hiện một dao động toàn phần được gọi là chu kỳ dao động, và được ký hiệu là T. Nếu T đo bằng giây (s) (trong Động lực học công trình thời gian thường được đo bằng giây), thì thứ nguyên của f là 1/s. Về trị số f và T là nghịch đảo của nhau.

Upload: dung-nguyenthanh

Post on 24-Nov-2015

65 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

jjj

TRANSCRIPT

  • 1

    M

    0

    y P(t)

    Hnh 1.1

    K

    NG LC HC CNG TRNH

    Bin son: PGS. TS Dng Vn Th

    CHNG 1: DAO NG CA H C MT BC T DO

    1.1 MT S KHI NIM C BN V L THUYT DAO NG

    1.1.1 Khi nim v chu k v tn s

    Xt h trn hnh 1.1. H gm khi lng M c gn vo mt im c

    nh nh l xo c cng K (l phn lc pht sinh trong l xo khi l xo bin dng

    mt lng bng n v). Khi lng M chu tc ng ca mt lc ng P(t) c

    phng theo phng ca chuyn ng (phng y), cn chiu v tr s thay i

    theo thi gian.

    Khi lng M chuyn ng, lc pht sinh trong l xo

    thay i lm cho vt thc hin mt dao ng c hc.

    Tu thuc vo quan h gia lc l xo v bin dng

    ca l xo l tuyn tnh , hay phi tuyn, m ta c bi ton dao

    ng tuyn tnh hay dao ng phi tuyn.

    Dao ng ca vt thun ty do lc l xo sinh ra khi M

    dch chuyn khi v tr cn bng ban u (do mt nguyn

    nhn bt k no gy ra ri mt i) c gi l dao ng

    t do hay l dao ng ring.

    Dng chuyn v ca vt M c gi l dng dao ng ring. Nu trong qu

    trnh dao ng lun lun tn ti lc ng P(t), ta c bi ton dao ng cng bc.

    Lc ng P(t) cn c gi l lc kch thch.

    S cc dao ng ton phn ca khi lng thc hin trong mt n v thi

    gian, ch ph thuc vo cc c trng c hc ca h, gi l tn s dao ng ring

    hay tn s dao ng t do, v c k hiu l f. Thi gian thc hin mt dao

    ng ton phn c gi l chu k dao ng, v c k hiu l T. Nu T o bng

    giy (s) (trong ng lc hc cng trnh thi gian thng c o bng giy), th

    th nguyn ca f l 1/s. V tr s f v T l nghch o ca nhau.

  • 2

    1.1.2 Dao ng iu ho v vc t quay

    Sau y ta xt mt dng dao ng quan trng c gi l dao ng iu

    ha. y l dng dao ng c bn thng gp trong c hc, mt khc, cc dao

    ng c chu k lun lun c th phn tch thnh cc dng dao ng iu ha n

    gin ny.

    Xt dao ng iu ha,

    ( ) sinS t A t (1-1)

    C vn tc

    ( ) os tv t A c (1-2)

    v gia tc

    2( ) sina t A t (1-3)

    Ta thy rng, c th miu t

    chuyn ng ny nh chuyn dch

    ca im mt vc t OA (c ln

    bng A) ln mt trc S no khi

    vc t ny quay quanh im c nh

    O vi vn tc gc .(xem hnh 1.2).

    Lc ny, tr s A c gi l

    bin dao ng, cn vn tc gc

    c gi l tn s vng ca dao ng

    l s dao ng ton phn ca h

    thc hin trong 2 giy.

    Tht vy, theo nh ngha,

    2T , nn 2 1

    Tf

    , do 2 f

    Tm li, trong dao ng iu ha ta c cc quan h sau,

    Acost

    Asint

    x

    s

    0

    v

    Hnh 1.2

    A

    a

    t

  • 3

    22 f

    T

    (1-4)

    1

    2f

    T

    (1-5)

    1 2

    Tf

    (1-6)

    Sau ny trong tnh ton thc t, ngi ta hay dng hn f.

    Kho st ba dao ng iu ha cng bin A v chu k T, nhng bin

    t c cc thi im khc nhau; Cng c ngha l thi im bt u ca ba

    dao ng ny l lch nhau. Ta ni ba dao ng lch pha nhau xem hnh 1.3;

    Dao ng (c) bt u sm hn dao ng (b) mt khong thi gian t0; Ngha

    l, sau khi vc t quay OA biu din dao ng (c) quay c mt gc = t0 th

    dao ng (b) mi bt u. Ta ni t0 l lch pha, cn l gc lch pha (hay gc

    pha). Tng t, dao ng (a) c gc pha l /2.

    Cch biu din dao ng iu ha di dng vc t quay nh trn hnh 1.2,

    gip ta thc hin thun tin vic hp cc dao ng iu ha. V d, xt hp ca hai

    dao ng iu ha cng tn s (c th khc bin v lch pha).

    1 1( ) sinS t A t (a)

    2 2( ) sinS t A t (b)

    Cc vc t quay biu din cc dao ng S1 v S2 ti thi im t no l

    OA1 v OA2 nh trn hnh 1.4. Hp ca hai dao ng S1 v S2 chnh l hp ca hai

    vc t OA1 v OA2 cho ta vc t OA c ln , theo qui tc hnh bnh hnh, l

    T

    A

    A

    b)

    t

    s

    ( ) Asin( t)S t

    0

    T

    A

    A

    a) t0=

    4

    T

    t

    s

    ( ) Asin t-2

    S t

    0

    T

    A

    A

    c) 0

    2t T

    t

    s

    ( ) Asin t-S t

    0

    Hnh 1.3

  • 4

    2 2

    1 2 2os sinOA A A A c A (1-7)

    v gc lch pha , m:

    2

    1 2

    sin

    os

    Atg

    A A c

    (1-8)

    Nh vy, hp ca hai dao ng iu ha cng tn s l mt dao ng iu

    ha cng tn s, c bin A c tnh theo (1-7) v gc lch pha c tnh

    theo (1-8)

    1 2( ) ( ) ( ) Asin t+S t S t S t (c)

    Ch rng, nu hai dao ng thnh

    phn khc tn s, th hp ca chng khng

    cn l dao ng iu ha na, m ch l dao

    ng c chu k (chi tit c th xem

    cc ti liu tham kho).

    1.1.3 Lc cn v cc m hnh lc cn

    Dao ng t do ca h do mt nguyn nhn tc dng tc thi no gy ra

    ri mt i s khng tn ti mi, m s mt i sau mt khong thi gian. S d nh

    vy l do trong qu trnh dao ng, h lun lun phi chu tc dng ca mt s lc

    gy cn tr dao ng m ta gi l lc cn. Lc cn do nhiu nguyn nhn gy ra

    nh : ma st gia cc mt tip xc m ta gi l lc cn ma st; sc cn ca mi

    trng nh khng kh, cht lng hay lc ni ma st m ta gi chung l lc cn

    nht.

    Trong chuyn ng c hc, ngi ta thng chia lc cn thnh ba nhm

    chnh:

    1- Lc cn ma st c xc nh theo nh lut Culong

    1.cR C N (1-9)

    Trong : C1 l h s ma st,

    A2 sin

    A2 cos

    A

    A A2

    A1

    t

    A

    A

    A x

    A

    s

    A

    Hnh 1.4

    0

    A

  • 5

    N l thnh phn php tuyn ca lc sinh ra gia hai mt tip xc khi

    chuyn ng ( n ph thuc vo vn tc chuyn ng)

    2- Lc cn nht tuyn tnh Newton t l bc nht vi vn tc chuyn ng

    2.cR C v (1-10)

    Trong : C2 l h s cn nht

    v l vn tc chuyn ng, v = (t)

    y l m hnh lc cn c dng nhiu trong thc t xy dng; v c

    m t bng mt pt tng chuyn ng trong cht lng nht nh trn hnh 1.6d.

    3- Lc cn t l bc cao vi vn tc (thng l bc hai). Lc cn ny

    thng xy ra khi vt chuyn ng trong mi trng cht lng hay cht kh vi

    vn tc tng i ln.

    3.cR C v (1-11)

    S thay i ca ba nhm lc cn ny trong dao ng iu ha c th

    hin trn hnh 1.5;

    1, Lc cn Culng

    2, Lc cn nht tuyn tnh

    3, Lc cn nht phi tuyn

    1.2 PHNG TRNH VI PHN DAO NG NGANG TNG QUT

    CA H MT BC T DO

    Xt h mt bc t do gm dm n hi gi thit khng c khi lng, trn

    c t khi lng tp trung M, chu tc dng ca ti trng ng P(t) t ti khi

    lng v c phng theo phng chuyn ng ca khi lng (xem hnh 1.6a).

    Trng hp ti trng khng t ti khi lng th phi chuyn tng ng v t

    T

    A

    3

    A 1

    A

    Rc

    t

    ng chuyn ng

    Hnh 1.5: Lc cn trong dao ng iu ha

    2

    A

  • 6

    ti khi lng. Mt trong cc cch chuyn tng ng nh vy s c trnh by

    chi tit mc 2-4. Kt cu c t trong h ta yz nh trn hnh v.

    Khi trn h cha chu tc ng ca lc ng P(t), nhng do trng lng ca

    khi lng M ,( G = Mg), h c bin dng v chuyn dch ti v tr 1 nh trn

    hnh 1.6a; Trng thi tng ng vi v tr ny ca h ta gi l trng thi cn bng

    tnh ban u ca h. Khi h chu tc dng ca ti trng ng P(t), h s dao ng

    xung quanh v tr cn bng ny. Gi s, n thi im t no , h ang chuyn

    ng hng xung v ti v tr 2 nh trn hnh 1.6a;

    Do y ta ch xt nh hng ca lc ng P(t), ng thi do gi thit bin

    dng b, nn trng thi cn bng tnh ban u c th coi gn ng nh trng hp

    cha c bin dng (Hnh 1.6b). Tt nhin, khi xc nh mt i lng nghin cu

    no , ta phi k ti gi tr do M gy ra theo nguyn l cng tc dng.

    Xt h dao ng chu lc cn nht tuyn tnh Newton, th dao ng ca h

    trn hnh 1.6b c th c m hnh ha nh trn hnh 1.6d; gm khi lng M

    c treo vo l xo c cng K , v gn vo pt tng chuyn ng trong cht

    lng nht c h s cn C.

    Xt h thi im t no ang chuyn ng hng xung cng chiu vi

    lc P(t). Khi h chu tc dng ca cc lc sau: lc ng P(t); lc n hi sinh ra

    P=1

    z

    y

    c)

    M

    Rh

    ( )cR t

    ( )z t

    P(t)

    f)

    Hnh 1.6

    P(t)

    y(t) yt M

    1

    2

    z

    y

    a)

    P(t)

    y(t) 2

    z

    y

    b)

    M

    1K

    M hnh tnh

    c

    d)

    P(t)

  • 7

    trong l xo ph thuc dch chuyn y ca khi lng, Rh(y) = K.y(t), c chiu

    hng ln; lc qun tnh Z(t) = -M (t) c chiu hng xung cng chiu vi

    chuyn ng; v lc cn nht tuyn tnh Rc = C (t) c chiu hng ln ngc vi

    chiu chuyn ng (xem hnh 1.6f). H trng thi cn bng ng, nn:

    Rh + Rc Z(t) P(t) = 0

    Hay ( ) ( ) ( ) ( )My t Cy t Ky t P t (1-12)

    Phng trnh (1-12) l phng trnh vi phn (PTVP) dao ng ngang tng

    qut ca h n hi tuyn tnh mt bc t do chu lc cn nht tuyn tnh. Trong

    , C l h s cn c th nguyn l [ lc thi gian / chiu di]; K l cng ca

    h, l gi tr lc t tnh ti khi lng lm cho khi lng dch chuyn mt lng

    bng n v, v c th nguyn l [lc / chiu di ].

    Phng trnh (1-12) cng c th c thit lp da vo biu thc chuyn

    v. Tht vy, nu k hiu l chuyn v n v theo phng chuyn ng ti ni

    t khi lng (hnh 1.6c) cn gi l mm ca h mt bc t do- th dch

    chuyn y(t) ca khi lng ti thi im t do tt c cc lc tc dng trn h gy ra,

    theo nguyn l cng tc dng s l:

    ( ) ( ) ( ) ( )y t P t My t Cy t

    Hay ( ) ( ) ( ) ( )My t Cy t Ky t P t chnh l (1-12)

    Trong 1

    K

    (1-13)

    c gi l cng ca h.

    Gii PTVP (1-12) s xc nh c phng trnh chuyn ng, vn tc, v

    gia tc chuyn ng ca khi lng; T c th xc nh c cc i lng

    nghin cu trong h. Sau y ta s gii bi ton trong mt s trng hp.

    1.3 DAO NG T DO-TN S DAO NG T DO ( HAY TN S

    DAO NG RING )

    1.3.1 Dao ng t do khng c lc cn

    y l trng hp l tng ha, v trong thc t lc cn lun tn ti. PTVP

    dao ng lc ny c dng n gin [cho C v P(t) trong (1-12) bng khng].

    ( ) ( ) 0My t Ky t

  • 8

    Hay l 2( ) ( ) 0y t y t (1-14)

    Trong 2( )

    1M

    t

    K g g

    M M G y

    (1-15)

    y, ta k hiu G = yt(M)

    , v mt ngha, n l chuyn v tnh ca khi

    lng M do trng lng ca khi lng, G , t tnh theo phng chuyn ng

    gy ra (xem hnh 1.6a); cn g l gia tc trng trng. Phng trnh vi phn (1-14)

    c nghim tng qut l:

    1 2( ) os t+A siny t Ac t (a)

    Cc hng s tch phn A1v A2 c xc nh t cc iu kin u: Ti thi im

    bt u dao ng (t=0), gi s h c chuyn v ban u yo v vn tc ban u v0

    0 00 0;t ty y v v (1-16)

    Thay (1-16) vo (a) vi ch ; 1 2( ) ( ) sin os tv t y t A t A c , ta c:

    A1 = y0 ; v A2 = v0 (b)

    Thay (b) vo (a) ta c phng trnh dao ng t do khng c lc cn ca h mt

    bc t do:

    00

    v( ) os t+ siny t y c t

    (1-17)

    Hay 00v

    ( ) sin t+ + sin2

    y t y t

    (1-17)

    iu ny c ngha l, dao ng t do khng cn ca khi lng l hp ca

    hai dao ng iu ha cng tn s v lch pha /2. S dng khi nim vc t

    quay, theo (1-7) v (1-8) , phng trnh (1-17) c dng n gin:

    ( ) Asin t+y t (1-18)

    Trong 2

    2 00

    vA y

    v 0

    0

    yarctg

    v

    (1-19)

  • 9

    G=Mg

    a)

    4

    l

    3

    4

    l

    b)

    P=1

    Hnh 1.8

    c)

    P=1

    3

    16m

    M

    C

    Nh vy, dao ng t do ca h mt bc t do (BTD), khi khng c lc

    cn, l mt dao ng iu ha, c tn s c tnh theo (1-15) , c bin v

    gc lch pha c tnh theo (1-19), cn chu k dao ng c tnh theo (1-6).

    Nhn vo (1-15) ta thy ch ph thuc yt(M),

    cng tc l ph thuc hay

    K, ngha l ch ph thuc vo n hi ca h. Nn tn s dao ng t do cn

    c gi l tn s dao ng ring ca h; N l mt c trng ca h dao ng.

    Dao ng t do khng cn c dng nh trn hnh 1-3; Ph thuc iu kin

    ban u m c dng (hnh 1.3a, b, hay c). V d, khi khng c chuyn v ban u

    (y0 = 0), th = 0, nn dng dao ng nh trn hnh 1.3b; Khi khng c vn tc

    ban u (v0 = 0), th gc pha bng /2, dng dao ng nh trn hnh 1.3a; Cn

    dng dao ng trn hnh 1.3c tng ng vi khi c y0 v v0 u khc khng.

    Ch : Khi khi lng c lin kt bng nhiu l xo mc song song hay ni

    tip nh trn hnh 1.7, khi cng tng cng c tnh nh sau:

    V D 1.1:

    Trn dm n gin hai u khp, t

    ti C mt khi lng tp trung M c trng

    lng G = 0,75 kN nh trn hnh 1.8a; Bit

    E = 2,1.104 kN/cm

    2;

    4410

    12J cm ; l=1m.

    (1-20)

    M

    K1 K2

    P(t)

    i

    i

    k k

    M

    K1

    K2

    P(t)

    1 1

    i ik k

    Hnh 1.7

    M

    K1 K2

    P(t)

    2 1

    2sini ii

    k k

  • 10

    Yu cu: Xc nh tn s vng v chu k dao ng ring ca h. B qua khi

    lng dm, v ly g = 981 cm/s2.

    Gii: Chuyn v n v tai C, theo phng chuyn ng, do lc P = 1 gy ra, theo

    cng thc Maxwell Mohr l ( xem hnh 1.8b):

    31 3 1 3 1 2 3 3

    4 4 16 2 3 16 256

    mm m m

    EJ EJ

    (a)

    Chuyn v tnh ti ni t khi lng do trng lng ca khi lng gy ra l:

    3 3

    ( ) 3 2,25. 0,75256 256

    M

    t

    m kNmy G kN

    EJ EJ (b)

    Tn s dao ng ring ca h , theo (1-15) l:

    4 4

    1

    3

    256 2,1 10 4981 70,6

    2,25 12 100s

    (c)

    Chu k dao ng ring tnh theo (1-6) l:

    2 2 3,1416

    0,08970,6

    T s

    (d)

    V D 1.2:

    Trn khung ba khp c t vt nng trng lng G (hnh 1.9a). B qua nh

    hng ca khi lng khung, lc ct , v lc dc ti din dng. Hy xc nh tn

    s dao ng ring theo phng ng v phng ngang ca h.

    Gii: Chuyn v n v theo phng ng g, v phng ngang ng ti ni t

    khi lng c tnh theo cng thc Maxwell Mohr. T cc biu m men

    n v trn hnh 1.9b, v c, ta c:

    g31 2 1

    24 2 2 3 4 48

    l l l l

    EJ EJ

    (a)

    ng 3 2. 2 . 2 1

    2 3 2 3 3

    h h h l h h lh l

    EJ EJ

    (b)

    Thay (a) v (b) vo (1-15) ta c tn s dao ng ring theo phng

    ng v phng ngang l:

  • 11

    g = sGl

    EJg

    G

    g

    1483

    ; ng = slhhGEJg

    G

    g

    ng

    1323

    1.3.2 Dao ng t do c lc cn

    Khi coi lc cn t l vi vn tc, PTVP dao ng t do tng qut c dng:

    ( ) ( ) ( ) 0My t Cy t Ky t (1-21)

    Hay 2( ) 2 ( ) ( ) 0y t y t y t (1-21)

    y ta t 2c

    M cng c gi l h s cn (1-22)

    Phng trnh c trng ca PTVP (1-21) c nghim l:

    2 21,2 (a)

    nn nghim tng qut ca (1-21): 1 21 2( )t ty t Ae A e

    s c dng:

    2 2 2 2

    1 2( )t t

    ty t e Ae A e

    (1-23)

    Chuyn ng ca khi lng, theo (1-23), ph thuc vo h s . Phn

    tch tng trng hp ta thy:

    1- Khi 2 2; hay C 2 KM y(t)

    t

    0

    Hnh 1.10

    2l

    2l

    h

    G

    (EJ=hng s)

    a)

    P=1 h

    2l

    2l

    c)

    Hnh 1.9

    P=1

    4l

    2l

    2l

    b)

  • 12

    Khi > ta gi l lc cn ln; cn khi = ta gi l lc cn trung bnh

    (hay lc cn gii hn). Lc ny l mt s thc; Hn na, v nn 22 <

    , (bng khng khi = ). Do c hai nghim tnh theo (a) u m. Nh vy,

    chuyn ng ca khi lng khi lc cn ln v trung bnh , theo (1-23), l tng

    ca hai hm s m m. H khng giao ng m chuyn ng tim cn dn ti v

    tr cn bng nh trn hnh 1.10;

    2- Khi 2 < 2:

    Trng hp ny c gi l lc cn b. Lc ny nghim l phc.

    t

    2 2 21 (1-24)

    Khi nghim ca phng trnh c trng (xem (a ) s l:

    1,2 1i (b)

    V phng trnh chuyn ng (1-23) tr thnh:

    1 2

    1 2( )t ti ity t e Ae A e

    (1-23)

    S dng cng thc Euller

    cos sin

    cos sin

    i

    i

    e i

    e i

    (1-25)

    thay vo (1-23) ta c:

    1 2 1 1 2 1( ) cos sinty t e A A t i A A t

    hay l, 1 1 2 1( ) cos sinty t e B t B t (1-23)

    Trong , B1 = A1 + A2 ; B2 = i ( A1 A2 ) (c)

    Cc hng s B1, B2 xc nh c t cc iu kin u (1-16)

    B1 = y0 ; B2 = ( v0 + y0 ) / 1 (d)

  • 13

    Thay (d) vo (1-23), v li p dng khi nim vc t quay hp hai dao

    ng iu ha trong du mc vung, ta c phng trnh dao ng t do ca h

    mt bc t do khi lc cn b l:

    1( ) sin( )ty t Ae t (1-26)

    Trong , A =

    2

    1

    002

    0

    yvy

    (1-27)

    v = arctg (00

    10

    yv

    y

    )

    Dng dao ng trong trng hp ny c th hin trn hnh 1.11;

    T (1-26), hay t hnh 1-11 ta thy, dao ng t do ca h mt bc t do

    khi lc cn b, cng l mt dao ng iu ha c tn s vng 1 tnh theo (1-24),

    v chu k T1 tnh theo (1-28)

    T1 = 1

    2 =

    22

    2

    (1-28)

    song bin dao ng gim dn theo lut hm s m m : Ae -t.

    nghin cu tt dn ca dao ng, ta xt t s gia hai bin dao ng

    lin k nhau (cch nhau mt chu k T1). K hiu bin t c ti thi im t

    no l An, cn ti thi im ( t + T1) l A n+1, th t (1-26) ta c:

    A

    A

    0

    yn tAe

    tAe

    yn+1

    t

    y(t)

    Hnh 1.11 : Dao ng t do khi lc cn b

    T1

  • 14

    1

    11

    11

    1

    1 sin

    sin TTt

    t

    Tt

    t

    n

    n ee

    e

    TtAe

    tAe

    A

    A

    = hng s

    Suy ra, T1 = ln (1n

    n

    A

    A

    ) = (1-29)

    Nh vy, t s gia hai bin lin k nhau l mt hng s; Cn logarit t

    nhin ca t s ny, k hiu l , l mt i lng ph thuc vo h s cn v

    ng nhin l c 1 ca h, dng nh gi tt dn ca dao ng , ngi ta

    gi l h s cn logarit, hay l Dekremen logrit ca dao ng t do c cn b.

    H s cn logarit ng vai tr quan trng trong thc t. N gip xc nh

    h s cn nh th nghim o bin dao ng An v A n+1. Sau y l mt s kt

    qu th nghim tm c cho mt s loi kt cu xy dng.

    1, i vi cc kt cu thp

    T1 = (0,016 0,08)2 0,1 0,15

    2, i vi kt cu g --- = (0,005 0,022)2 0,03 0,15

    3, i vi cc kt cu b tng ct thp

    T1 = (0,016 0,032)2 0,08 0,2

    4, i vi cu thp --- = (0,01 0,15 ); trung bnh 0,28

    5, Vi cu b tng ct thp: --- = 0,31

    6, Vi dm b tng ct thp: --- = (0,17 0,39 ); trung bnh 0,28

    7, Vi khung b tng ct thp: --- = (0,08 0,16 ); trung bnh 0,12

    So snh hai phng trnh dao ng t do khng cn (1-18) v c cn b (1-

    26) ta thy, tn s ring khi c cn b 1< khi khng c cn, cn chu k T1 > T;

    C ngha l, khi c cn b, dao ng chm hn so vi khng c lc cn. Tuy

    nhin, s sai khc ny cng rt nh. Do trong xy dng, do ch yu l cn b,

    ngi ta thng coi gn ng 1 , v T1 T trong tnh ton.

    Tht vy, ta xt mt trng hp dao ng tt kh nhanh.

    V d, An / A n+1 = 0,5.

    Khi = ln(A n/A n+1) = ln0,5 = 0,693. suy ra,

    = 0,693 / T1 = 0,6931 / 2 = 0,111 hay

  • 15

    1 = 22 = 21

    2 0,11 = 0,994 .

    Tr li trng hp lc cn trung bnh (cn gii hn) 2 = 2. Lc ny,

    = T = .

    2 = 2; Do :

    1n

    n

    A

    A

    = e T

    = e 2

    = 529.

    Ngha l bin dao ng sau mt chu k gim i 529 ln, hay ni cch

    khc, khi h chu lc cn trung bnh, h gn nh khng dao ng m ch chuyn

    ng tim cn dn ti v tr cn bng ban u. iu ny nht qun vi kt lun

    c cp ti mc a.

    1.4 DAO NG CNG BC CHU LC KCH THCH IU HO

    P(t)=P0sinrt - H S NG

    Phng trnh vi phn dao ng tng qut trong trng hp ny, theo (1-12) s l:

    0( ) ( ) ( ) s inrtMy t Cy t Ky t P (1-30)

    Hay l 2 0( ) 2 ( ) ( ) s inrtP

    y t y t y tM

    (1-30)

    Trong , P0 v r ln lt l bin v tn s ca lc kch thch; Cn v

    nh k hiu trc y. y l PTVP bc hai tuyn tnh chun c v phi l mt

    hm iu ha. Nghim tng qut ca (1-30) bng nghim tng qut ca PTVP

    thun nht k hiu l y0(t), cng vi mt nghim ring k hiu l y1(t).

    y(t) = y0(t) + y1(t) (a)

    1.4.1 Xt trng hp lc cn b:

    Nghim y0(t) tnh theo (1-26), cn nghim ring y1(t) c th xc nh bng

    nhiu cch, v d phng php bin thin hng s Lagrange.Song thun tin hn,

    y ta gii bng phng php na ngc nh sau:

    Gi thit nghim ring di dng tng qut sau

    y1(t) = A1sinrt + A2cosrt

    Hay l y1(t) = A0 sin(rt - ) (1-31)

    Trong r l tn s lc kch thch bit, cn A0 v l bin v gc

    lch pha cha bit. R rng l nu ta tm c mt A0, v mt (1-31) tha

  • 16

    mn phng trnh (1-30), th (1-31) l mt nghim ring ca (1-30). Tht vy, thay

    y1(t) v cc o hm ca n

    1 0( ) os(rt- )y t rA c v 2

    1 0( ) sin( )y t r A rt (b)

    vo phng trnh (1-30) ta c,

    2 2 00 0 0sin( ) 2 os(rt- )+ sin( ) sinrtP

    r A rt rA c A rtM

    (c)

    Khai trin sin(rt-) v cos(rt-), ri nhm cc s hng c cha sinrt v cosrt ta

    c:

    2 2 2 200 0 0 0 0 0

    Psinrt -r os +2 rA sin os - osrt r sin 2 os - sin 0

    MA c A c c A rA c A

    (d)

    Biu thc (d) phi bng khng vi mi t ty ; Mun vy, cc biu thc

    h s ca sinrt v cosrt phi bng khng. T suy ra:

    A0 = sin 2rcosrMP

    22

    0

    (1-32)

    tg =22 r

    2r

    (1-32)

    Thay (1-32) v (1-32) vo (1-31) ta c nghim ring y1(t); Ri li thay

    (1-26) v (1-31) vo (a) ta c nghim tng qut ca PTVP dao ng (1-30) l:

    1 0( ) sin( ) sin( )y t A t A rt (1-33)

    Trong : A, tnh theo (1-27) cha cc iu kin u y0 v v0.

    A0, tnh theo (1-32) cha bin P0 v tn s r ca lc kch thch

    iu ha. Phn tch (1-33) ta thy:

    S hng th nht lin quan ti dao ng t do ca h. Trong thc t lun

    lun tn ti lc cn. Nhng cho d lc cn l b, th phn dao ng t do ny, sm

    hay mun, cng s mt i sau mt khong thi gian no . Dao ng ca h lc

    ny c coi l n nh, v c biu din bng s hng th hai trong (1-33).

    1 0( ) ( ) sin( )y t y t A rt (1-34)

    Nh vy, dao ng cng bc - lc cn b - ca h mt bc t do chu lc

    kch thch iu ha P0 sin rt, khi n nh, l mt dao ng iu ha c cng

  • 17

    tn s v chu k vi tn s v chu k ca lc kch thch, cn bin A0 v gc pha

    c tnh theo (1-32).

    Bin dao ng A0 cng thng c biu din dng khc tin li hn

    nh sau:

    T (1-32) ta c, 2r = [(2 r2)sin]/ cos, ri thay vo (1-32) c:

    A0 = P0 cos / M(2-r

    2) (f )

    Thay tnh theo (1-32) vo (f ) vi ch : M = 2

    1

    v Cos(artg) =

    21

    1

    (g)

    Ta c,

    A0 =

    2222222

    22

    0

    2

    22

    22

    0

    r

    2rrrM

    P

    r

    2r1

    1

    rM

    P

    hay

    A0 =

    4

    222

    2

    2

    0

    22222

    0

    4r

    r1

    P

    4rrM

    P

    K hiu: 0( )0.P

    tP y l chuyn v tnh ti ni t khi lng do lc c

    tr s bng bin lc ng P0 t tnh ti gy ra, v

    K =

    4

    222

    2

    2

    4r

    r1

    1

    (1-35)

    Th ta c 0( )0 .P

    tA y K (1-32)

    iu ny c ngha l, khi h chu tc dng ca ti trng ng iu ha

    P0sinrt, th bin chuyn v ng A0 ln gp K ln so vi chuyn v khi P0 t

    tnh gy ra. K c gi l h s ng.

  • 18

    H s ng cng c th c biu din qua h s cn c. c gi c th t

    vit cng thc ny.

    1.4.2 Xt trng hp khi khng c lc cn :

    H s ng trong trng hp ny c dng n gin hn (cho = 0 trong

    cng thc 1-35)

    K =

    2

    2

    r1

    1 (1-36)

    Kt qu ny cng c th tm c nh gii trc tip PTVP dao ng cng

    bc khng c lc cn. c gi c th t thc hin iu ny.

    1.4.3 Phn tch h s ng Hin tng cng hng

    Nhn vo cng thc (1-35) v (1-36) ta thy, h s ng ph thuc vo t s r/.

    a) Xt trng hp khng c lc cn:

    th quan h gia h s ng v t s r/ v c nh trn hnh (1.12a) vi

    ch l h s ng ch ly gi tr dng

    .Ta thy rng,

    Khi t s

    r 0 th K 1

    r th K 0

    r 1 th K

    Ngha l, khi tn s lc kch thch ln hn nhiu tn s ring ca h, h s

    ng c gi tr nh, thm ch bin dao ng cn nh hn c chuyn v tnh do

    Po gy ra. C th l gii iu ny l do khi r>, K c tr s m, v mt ngha,

  • 19

    iu ny c ngha l dao ng ca khi lng ngc pha vi lc kch thch (chiu

    chuyn ng ngc vi chiu ca lc kch thch), nn lc kch thch chng li

    chuyn ng.

    Khi r

  • 20

    P(t)

    t 0

    Hnh 1.13: Ti trng kch ngng

    f(t) P0

    h s K lun lun nh hn mt. Trng hp ring khi h s cn ly du bng

    trong cng thc (1-37) c gi l h s cn l tng; v c ngha quan trng

    khi ch to cc thit b o dao ng.

    b2- Khc vi trng hp khng cn, khi c lc cn, h s ng c gi tr

    ln nht khng phi khi r/ bng mt, m khi t s ny nh hn mt. Tht vy,

    kho st biu thc K theo t s r/, t (1-35) hay (1-35) ta c K t cc tr khi :

    rd

    dK = 0 suy ra

    r

    22

    2

    2

    2

    2M

    c1

    21 < 1 (1-37)

    (B qua bin i chi tit)

    Tuy nhin s sai khc ny l nh, nn thc t vn coi gn ng K t gi

    tr ln nht khi r/ 1.

    1.5 H MT BC T DO CHU TI TRNG KCH NG

    HM NG LC V TCH PHN DUHAMEL

    Nh trnh by trong phn m u, ti trng kch ng l ti trng tc

    dng vo cng trnh mt cch t ngt vi cng ln, ri gim nhanh sau mt

    khong thi gian tng i ngn. Tuy thi gian

    cht ti ngn, nhng ta cng khng th b qua yu

    t thi gian ny trong tnh ton.

    K hiu P0 l gi tr ln nht m ti trng

    t c, f(t) l hm biu din lut bin i ca ti

    trng theo thi gian, cn gi l hm cht ti. Khi

    c th biu din ti trng kch ng di dng

    tng qut nh sau (hnh 1.13).

    P(t) = P0f(t) (1-38)

    Do chu ti kch ng, nn trng thi nguy him ca kt cu xy ra kh

    nhanh sau khi chu ti. Bi vy, trong trng hp ny ngi ta thng b qua nh

    hng ca lc cn. PTVP dao ng tng qut c dng:

    0( ) ( ) ( )My t Ky t P f t (1-39)

    hay 2 0( ) ( ) ( )P

    y t y t f tM

    (1-39)

  • 21

    C th gii phng trnh ny bng nhiu cch. y ta gii theo cch h

    dn bc o hm bng cc php bin i tng ng nh sau .

    Trc ht nhn hai v ca (1-39) vi sint, cng v tr vo v tri hm

    ( ) os( t)y t c ta c:

    2 0sin os t sin os t ( )sinP

    y t yc y t yc f t tM

    Hay 0sin os t ( )sinPd d

    y t y c f t tdt dt M

    (a)

    Tch phn hai v ca (a) theo cn t t0 ti t ta c:

    0 0

    0

    0sin os ( )sin

    tt t

    t tt

    Py y c f d

    M (b)

    Trong l mt thi im no trong khong t t0 ti t (do cn tch

    phn l t nn bin tch phn phi l )

    S dng iu kin u: 0

    0( ) ty y ; 0 0( )

    ty v

    (c)

    th phng trnh (b) tr thnh:

    0

    00 0 0 0sin sin os t+y os t ( )sin( )

    t

    t

    Py t v t y c c f d

    M (1-40)

    Tip theo, ta li thc hin cc php tnh theo ng th t nh trn nhng

    nhn hai v ca (1-39) vi cost; Sau cng v tr vo v tri hm ( sin )y t , ri

    tch phn hai v vi cn t t0 ti t, v s dng iu kin u (c); Ta li c mt

    biu thc c dng tng t (1-40):

    0

    00 0 0 0os os sin t-y sin t ( ) os( )

    t

    t

    Pyc t v c t y f c d

    M (1-40)

    Cc phng trnh (1-40) v (1-40) ch l dng khc ca (1-39) nh cc

    bin i tng ng. By gi ta li nhn hai v ca (1-40) vi cost, v vi

    (1-40) l sint; ri tr hai phng trnh cho nhau, vi ch cc quan h lng

    gic sau:

    sin(a-b) = sina cosb - cosa sinb

    cos(a-b) = cosa cosb + sina sinb (d)

  • 22

    Ta c

    0

    00 0 0 0( ) sin ( ) os (t-t ) ( )sin ( )

    t

    t

    Py t v t t y c f t d

    M

    Suy ra

    0

    0 00 0 0( ) sin ( ) os (t-t ) ( )sin ( )

    t

    t

    v Py t t t y c f t d

    M

    Hay

    0

    0

    00 0 0( ) os (t-t ) sin ( ) ( )sin ( )

    t

    P

    t

    t

    vy t y c t t y f t d

    (1-41)

    Trong , 0( )0

    P

    ty P l chuyn v tnh ca khi lng do lc c tr s bng

    P0 t tnh gy ra.

    (1-41) l nghim tng qut ca PTVP (1-39), trong c cha tch phn

    0

    ( ) ( )sin ( )

    t

    t

    K t f t d (1-42)

    c gi l tch phn Duhamel.

    Nh vy, phng trnh chuyn ng ca h mt bc t do, chu tc dng

    ca lc kch ng vit di dng (1-38), l hon ton xc nh nu bit cc iu

    kin u (y0,v0) v hm cht ti f(t). Khi khng c ti trng tc dng, phng trnh

    (1-41) tr v phng trnh (1-18) l phng trnh vi phn dao ng t do ca h

    khi khng c lc cn.

    Nu iu kin u y0 =0, v v0 =0; th phng trnh chuyn ng ch cn

    li s hng th ba trong (1-41).

    0( )( ) ( )Pty t y K t (1-43)

    Ch : Li gii (1-41), hay (1-43) l li gii tng qut khng nhng cho trng

    hp ti trng kch ng nh trnh by trn, m cho ti trng ng bt k c th

    biu din c dng (1-38).

    Hm K(t) ng vai tr nh hng ca tc dng ng, n l hm ca thi

    gian, c gi l hm nhn t ng hay l hm ng lc. Gi tr ln nht ca K(t)

    chnh l h s ng. Trong thc t tnh ton, ta cn xc nh gi tr ln nht ny.

  • 23

    Sau y ta xt mt s dng ti trng kch ng thng gp, vi gi thit ban

    u h trng thi tnh, ngha l y0 = 0, v v0 = 0. Lc ny phng trnh chuyn

    ng ca h l (1-43).

    1) Lc khng i tc ng

    t ngt vo khi lng.

    th hm cht ti nh

    trn hnh 1.14a; Lc ny c:

    P = P0

    f(t) = 1 (t 0) (a)

    Nn,

    K(t) = t

    0

    sin(t-) d

    = 1 cost (b)

    th hm K(t) ny nh trn hnh 1.14b, v ta c

    K = max K(t) = 2

    2- Ti trng kch ng dng ch nht (nh trn hnh 1.15a)

    Khi 0 t t1, c P = P0, v f(t) = 1; nn theo (b) ta c:

    K(t) = 1 cost (c1)

    Khi t1 t , c P = 0 , v f(t) = 0; nn theo (1-42) ta c:

    K(t) =2sin(2

    t1 ) sin(t-2

    t1 ) (c2)

    Trong t1 l thi gian cht ti.

    Trong trng hp ny, s bin i ca hm ng lc , cng nh gi tr ln

    nht ca n (K) ph thuc t1. S bin i ca K(t) theo thi gian, ng vi cc t1

    khc nhau, c th hin trn hnh 1-15b; Cn quan h gia maxK(t) = K vi t

    s T

    t1 c th hin trn hnh 1.15c. R rng l, khi t1 cng ln, trng hp ny s

    tr v trng hp (1). V trong thc t, khi t1 2

    T l c th coi nh trng hp

    (1) xem hnh 1.5c; Lc ny K 2. Cn t1 cng ln th tn s cng ln. y, T

    l chu k dao ng t do.

    K(t)

    P t

    P(t)

    0

    t

    2T

    2T

    0

    1

    2

    Hnh 1.14: Lc tc ng t ngt

  • 24

    3- Ti trng tng tuyn tnh ri sau khng i (nh trn hnh 1.16a.)

    Khi 0 t t1, c P = P0(1t

    t); Cn f(t) =

    1t

    t; Thay vo (1-42) ta c

    hm ng lc trong trng hp ny l:

    K(t) = 1t

    t -

    1t

    tsin

    =

    1t

    t (

    1 t2

    T

    )sint (d1)

    Khi t1 t, c P = P0; Cn f(t) = 1; Nn trong trng hp ny

    K(t) = 1 + (1 t2

    T

    )[sin(t-t1) sint] (d2)

    Trong , T=

    2 l chu k dao ng t do.

    th bin i ca K(t) theo thi gian, ng vi cc t1 khc nhau, nh trn

    hnh 1.16b; Cn quan h gia maxK(t) = K vi t s T

    t1 nh trn hnh 1.16c. Ta

    thy, khi t1 cng nh (t1 0) , n tin dn ti trng hp (1): K 2.

    1

    5

    4t T

    110

    Tt

    5t1 4t1 t1

    0

    1

    2

    k(t)

    t

    b)

    Hnh 1.15

    0,6 0,4 0,2

    0

    1

    2

    max k(t)

    1t

    T

    0,8 c)

    P(t)

    P

    t1

    t

    a)

    0

    Dng cht ti Bin i ca K(t) ng vi cc t1 khc nhau

    Quan h gia K vi 1t

    T

  • 25

    4, Ti trng kch ng dng tam gic (nh trn hnh 1.17a.)

    Khi 0 t 2

    t1 , c P = 2(1t

    t)P0; Cn f(t) =

    1t

    2t; Nn theo (1-42) ta c:

    K(t) = 1t

    2t (

    1 t

    T

    )sint (f1)

    Khi 2

    t1 t t1, c P = (2-1t

    2t)P0; Cn f(t) = (2-

    1t

    2t); Nn ta c:

    K(t) = 2 1t

    2t + (

    1 t

    T

    )[2sin(t-

    2

    t1 ) - sint (f2)

    Khi t1 t; c P = 0; Cn f(t) = 0; Nn lc ny ta c:

    K(t) = (1 t

    T

    )[- sin(t-t1) + 2sin(t-

    2

    t1 ) sint] (f3)

    S bin i ca K(t) ng vi cc t1 khc nhau nh trn hnh 1.7b; Cn quan

    h gia maxK(t) = K vi T

    t1 nh trn hnh 1.17c. V ta thy K lun lun nh hn

    hai.

    Qua cc v d trn, ta c th rt ra mt s nhn xt quan trng.

    3 2 1

    0

    1

    2

    max k(t)

    1t

    T

    4 c)

    3t1 2t1 t1

    0

    1

    2

    k(t)

    4t1 b)

    t

    14

    Tt 1

    10

    3

    Tt

    Hnh 1.16

    P(t)

    P

    t1

    t

    a)

    0

    3 2 1

    0

    1

    2

    max k(t)

    1t

    T

    4 c)

    P(t)

    P

    t1

    t

    a)

    0

    3t1 2t1 t1

    0

    1

    2

    k(t)

    4t1 b)

    t

    1

    5

    4

    Tt 1

    4

    Tt

    Hnh 1.17

  • 26

    a, Khi chu tc dng ca ti trng kch ng, h s ng c gi tr nh hn ,

    hoc bng hai.

    b, Khi thi gian cht ti kch ng t1 l nh so vi chu k dao ng ring, ta c

    th gii gn ng bi ton vi gi thit: khi lng ch bt u chuyn ng sau

    thi gian t1. Nh vy, da vo nguyn l ng lng ta c:

    0

    0

    ( )

    t

    J P t dt Mv ; Suy ra 0J

    vM

    (g)

    Ngha l, c th thay bi ton h chu ti kch ng c t1 nh, bng bi ton

    h chuyn ng c vn tc ban u v0 gii n gin hn nhiu. Li gii loi bi

    ton ny c th tm thy trong cc ti liu.

    ***********

  • 27

    CHNG 2: DAO NG CA H C NHIU BC T DO

    2.1 KHI NIM BAN U

    Nh trnh by chng 1; h mt BTD c c trng bng mt dng

    dao ng ring vi tn s . Tng t nh vy, dao ng t do ca h nhiu bc

    t do cng c c trng bng cc tn s dao ng ring, v ng vi mi tn s

    ring h c mt dng dao ng ring tng ng. Hay ni cch khc nh sau ny s

    chng minh, h c bao nhiu bc t do s c by nhiu tn s dao ng ring, v

    trong cc iu kin nht nh, ta c th lm cho tt c cc khi lng ti mt

    thi im no - ch thc hin dao ng tng ng vi mt tn s no trong

    s cc tn s ring. Nhng dng dao ng nh vy c gi l nhng dng dao

    ng ring chnh, hay dng dao ng chun. Tt nhin dao ng t do ca h l

    tng hp ca tt c cc dng dao ng ring ny.

    Vic nghin cu cc dng dao ng ring chnh l rt quan trng v n n

    gin (nh h mt bc t do); sau hp cc dao ng ny s cho dao ng tng

    cng. Trong thc t ta cng gp nhiu bi ton c s BTD hu hn, bi v ngi

    ta thng chuyn bi ton c v hn BTD ( gii phc tp)v bi ton c s BTD

    hu hn gii n gin hn.

    2.2 PHNG TRNH VI PHN DAO NG NGANG TNG QUT

    CA H C n BC T DO

    Xt h c n BTD, n khi lng tp trung M1,M2,...,Mn, nh trn hnh

    2.1(b qua khi lng kt cu). H dao ng di tc dng ca h lc ng P1(t),

    P2(t), ...,Pn(t), trong trng hp tng qut, gi thit t ti tt c cc khi lng, v

    c phng theo phng chuyn ng. Trng hp c cc ti trng khng t ti

    khi lng, th ta phi chuyn tng ng v t ti khi lng (xem mc 2.4).

    P1(t)

    y1(t)

    z

    y

    P2(t) Pn(t)

    y2(t) yn(t)

    M1 M2 Mn .....

    .

    .....

    .

    Hnh 2.1

  • 28

    Khi dao ng, ti mi khi lng u chu tc dng ca cc ngoi lc nh

    sau,

    + Ngai lc ng (nu c) Pk(t);

    + Lc qun tnh Zk(t) = - Mkk(t)

    + Lc cn Rk(t)

    y, k l khi lng th k;( k = 1, 2, ,n); Cn lc n hi Rh(t) khng

    phi l ngoi lc. Hp ca cc ngoi lc ny , k hiu l Fk(t), th:

    ( ) ( ) ( ) ( )k k k kF t Z t R t P t (a)

    Gi s ti thi im t ang xt, khi lng th k chuyn ng hng xung

    cng chiu vi lc P(t), th nh phn tch mc 1.2, biu thc (a) c dng:

    ( ) ( ) ( ) ( )k k k k kF t M y t R t P t (b)

    Di tc ng ca h lc ny, dm s thc hin dao ng . PTVP dao ng

    ngang tng qut ca h cng c th thit lp c t iu kin cn bng ng vit

    ti tng khi lng.

    Rhk(t) Fk(t) = 0 (c)

    ( k = 1, 2, ,n)

    Song trong trng hp ny, s dng biu thc chuyn v t ra thun tin hn.

    Chuyn v ca cc khi lng ti thi im no , gi s xt khi lng

    th k,

    yk(t) = k1 F1(t) + k2 F2(t) +..+ kn Fn(t) (d)

    Cho k bin thin t ( k = 1, 2, , n); ta c h n PTVP chuyn ng ca

    n khi lng ti thi im t l:

    1 11 1 12 2 1

    2 21 1 22 2 2

    1 1 2 2

    ( ) ( ) ( ) .... ( )

    ( ) ( ) ( ) .... ( )

    ................................................................

    ( ) ( ) ( ) .... ( )

    n n

    n n

    n n n nn n

    y t F t F t F t

    y t F t F t F t

    y t F t F t F t

    (f)

  • 29

    Hay dng ma trn,

    1 11 12 1 1

    2 21 22 2 2

    1 2

    ( ) .... ( )

    ( ) .... ( )

    .... .... .... .... .... ....

    ( ) .... ( )

    n

    n

    n n n nn n

    y t F t

    y t F t

    y t F t

    (f)

    Trong , kj, (k, j = 1,2,,n) l chuyn v n v ti khi lng th k do

    lc bng n v t ti khi lng th j gy ra.

    K hiu cc ma trn v cc vc t nh sau:

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    ....

    ....

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n n nn

    N

    ;

    1

    2

    .... .... .... ....

    n

    M

    MM

    M

    ;

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    ....

    ....

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n n nn

    C C C

    C C CC

    C C C

    (2-1)

    1 1 1 1

    2 2 2 2

    ( ) ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( ) ( )( ) ; ( ) ; ( ) ; ( )

    .... .... .... ....

    ( ) ( ) ( ) ( )n n n n

    y t y t y t P t

    y t y t y t P ty t y t y t P t

    y t y t y t P t

    ( 2-2)

    Trong , [N] l ma trn i xng, v c gi l ma trn mm ca h, gm

    c cc phn t l cc chuyn v n v ti ni t cc khi lng , theo phng

    chuyn ng.

    [M] l ma trn khi lng , l ma trn ng cho. Cc phn t trn

    ng cho chnh ln lt l cc khi lng tp trung t trn h.

    [C] l ma trn cn. Vic xc nh cc phn t ca [C] kh phc tp.

    Trong tnh ton thc t, ngi ta thng coi gn ng [C] t l vi ma trn cng

    [K].

  • 30

    ( ) ; ( ) ; ( )y t y t y t , ln lt l vc t chuyn v, vc t vn tc, v

    vc t gia tc chuyn ng ca h, m cc phn t ca n, ln lt l chuyn v,

    vn tc, v gia tc chuyn ng ca cc khi lng.

    {P(t)} l vc t ngoi lc ng, c cc phn t l cc ngoi lc ng

    tc dng ti cc khi lng..

    Cn

    1 2( ) ( ) ( ) .... ( ) ( )T

    c nR t R t R t R t C y t (2-3)

    l vc t lc cn nht tuyn tnh (t l bc mt vi vn tc ). Thay (b) kt hp vi

    (2-3) vo (f) v chuyn v, ta c:

    ( ) ( ) ( ) ( )N M y t N C y t E y t N P t (f)

    y, [E] l ma trn n v cp n.

    Nhn bn tri (f) vi

    11 12 1

    1 21 22 2

    1 2

    ....

    ....

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n n nn

    k k k

    k k kK N

    k k k

    (2-4)

    ta c PTVP dao ng ngang tng qut ca h c n BTD , cn nht tuyn

    tnh,di dng ma trn nh sau:

    ( ) ( ) ( ) ( )M y t C y t K y t P t (2-5)

    Ma trn [K] i xng, v c gi l ma trn cng ca h.

    So snh hai phng trnh (2-5) v (1-12) ta thy chng hon ton ging

    nhau v hnh thc, cho nn cch gii cng c phn tng t nhau. Tuy nhin, gii

    h phng trnh (2-5) phc tp hn rt nhiu, v [M], [C], [K] l cc ma trn ch

    khng phi l cc con s nh trong (1-12), cn ( ) ; ( ) ; ( )y t y t y t l cc vc t

    hm. Sau y ta s gii mt s trng hp ring.

    2.3 DAO NG T DO CA H C n BC T DO PHNG TRNH

    TN S

    2.3.1 Tn s v phng trnh tn s

    Khi nghin cu dao ng h mt bc t do ta thy rng, khi lc cn b, tn

    s ring 1 ; Bi vy, i vi h nhiu bc t do, khi nghin cu dao ng t

    do, ta quan tm ch yu ti trng hp gi thit khng c lc cn.

  • 31

    Phng trnh vi phn dao ng t do lc ny c dng n gin:

    ( ) ( ) 0M y t K y t (2-6)

    Gi thit dao ng t do l iu ha, nn phng trnh dao ng t do

    khng lc cn ca khi lng th k, cng nh (1-18), c dng:

    ( ) sin( )k ky t A t (2-7)

    v gia tc 2( ) sin( )k ky t A t (2-8)

    Trong , Ak l bin dao ng ca khi lng th k, v l tn s v

    gc lch pha ca dao ng.

    Thay (2-8) v (2-7) vo (2-6), ri khai trin vi (k = 1, 2,,n); v t

    sin(t+) lm tha s chung, ta c:

    2 sin( ) 0M A K A t

    Do phi tn ti dao ng, sin(t+) 0;

    nn, 2 2 0K A M A K M A (2-9)

    Trong , {A} = {A1, A2, ,An}T l vc t ct cha cc bin dao ng

    ca cc khi lng th nht, th hai, ..., th n, v c gi l vc t bin dao

    ng t do ca h. Do phi tn ti dao ng, ngha l {A} {0}. T suy ra

    nh thc

    2 0D K M (2-10)

    Hay dng khai trin:

    2

    11 1 12 1

    2

    21 22 2 2

    2

    1 2

    ....

    ....0

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n n nn n

    k M k k

    k k M kD

    k k k M

    (2-10)

    (2-10) l phng trnh bc n i vi 2. Do [K] v [M] l cc ma trn i

    xng, v xc nh dng, nn gii (2-10), ta s xc nh c n nghim thc v

  • 32

    dng: 12, 2

    2,,n2 ; cng c ngha l ta c n tn s dao ng ring vi qui

    c k hiu, 1 < 2 < < n ; (cc gi tr m ca php khai cn khng c

    ngha vt l nn b i). iu ny trng vi kt lun nu ra mc 2.1 ca

    chng: h c bao nhiu bc t do s c by nhiu tn s ring. Phng trnh

    (2-10) c gi l phng trnh tn s.(hay cn gi l phng trnh th k). Tn

    s ring b nht 1 c gi l tn s c bn, v c vai tr quan trng trong tnh

    ton kt cu khi chu ti trng ng. iu ny s c sng t cc phn sau.

    Phng trnh tn s (2-10) cng c th biu din qua ma trn mm.

    Mun vy, ta nhn bn tri hai v ca (2-9) vi [N]( 2

    1) c:

    22 21 1

    0N K N M A

    Hay 21

    0E N M A

    (2-9)

    y, [E] l ma trn n v cp n, v k hiu: 2

    1u

    (2-11)

    Th t (2-9) ta suy ra phng trnh tn s biu din qua ma trn mm l,

    0D u E N M

    Hay 0D N M u E (2-11)

    hay dng khai trin:

    1 11 2 12 1

    1 21 2 22 2

    1 1 2 2

    ....

    ....0

    .... .... .... ....

    ....

    n n

    n n

    n n n nn

    M u M M

    M M u MD

    M M M u

    (2-11)

    Nh vy, phng trnh tn s c th biu din qua ma trn cng hoc qua

    ma trn mm. Tuy nhin trong thc t, ngi ta hay dng ma trn mm hn, v cc

    phn t ca n c xc nh d dng hn nh cng thc tnh chuyn v

    Maxwell- Mohr quen thuc.

    V D 2.1

    Xc nh cc tn s dao ng ring ca dm cho trn hnh 2-2a. Bit dm c

    E J = hng s, M1 =M2 =M, khi tnh b qua khi lng dm.

  • 33

    Bi gii

    Bi ton ny c hai BTD, nn phng trnh

    tn s l nh thc cp hai sau:

    uMMMuM

    222121

    212111

    = 0 (a)

    Dm cho l siu tnh, cng thc

    Maxwell- Mohr tnh chuyn v l

    (Xem gio trnh c hc kt cu)

    ik = k0i0ki MMMM (b) y, biu m men n v c

    thm ch s 0 l trn h tnh nh (ng vi

    trng thi gi to).

    Cc biu m men n v v c

    nh trn hnh 2-2b,c,d,e; Thc hin nhn cc

    biu ta c:

    3 3

    11 22 12 21

    23 3;

    1536 512

    l l

    EJ EJ

    (c)

    Thay (c) vo (a) v gii phng trnh

    bc hai ny i vi u ta c:

    3

    148

    Mlu

    EJ

    suy ra 1 3 3

    1

    1 486,9282

    EJ EJ

    u Ml Ml

    v 3

    2

    7

    768

    Mlu

    EJ

    suy ra 2 3 3

    2

    1 109,7210,4745

    EJ EJ

    u Ml Ml

    Dng dao ng ng vi 1 c dng phn i xng (px) nh trn hnh 2-2f;

    cn ng vi 2 l dng dao ng i xng (x) nh trn hnh 2-2g.

    z

    y

    M1 M2

    2l

    2l

    2l

    2l

    a)

    1M

    P1=1

    b)

    4l

    332

    l

    2M

    P2=1

    d)

    4l

    332

    l

    o

    kM

    Pk=1

    c)

    4l

    o

    kM

    Pk=1

    e)

    4l

    px f)

    y

    x g)

    y

    Hnh 2.2

  • 34

    2.3.2 Dng dao ng ring v tnh cht trc giao ca cc dng

    dao ng ring

    A- Dng dao ng ring

    Nu ta thay ln lt cc tn s dao ng ring 1, 2, ...., nvo phng

    trnh (2-9), s xc nh c n vc t t s bin dao ng k hiu l{a1}, {a2},

    ....,{an} ng vi tng tn s ring. V d, ng vi tn s ring th i ta c vc t

    bin dao ng {ai} c cc phn t k hiu l (a1i, a2i, ....aki, ....ani); l bin

    dao ng ca cc khi lng th (1, 2, ...,k, ...,n) ng vi tn s ring i:

    1 2 .... ....T

    i i i ki nia a a a a (2-12)

    Cc aki (k = 1, 2, , n) l nghim ca phng trnh (2-9) sau y,

    ([K]-[M]i2){ai} = {0} (2-9)

    Cn ch rng, y ta ch xc nh c dng ca cc dao ng ring,

    hay ni cch khc, ch xc nh c t s (quan h) gia cc bin dao ng

    ca cc khi lng ng vi mt tn s c th. S d nh vy l v, (2-9) l

    phng trnh i s tuyn tnh thun nht, s c v s nghim. Mun xc nh mt

    h nghim no , ta phi gi thit trc mt bin aki no lm bin c s; Sau

    s gii nt (n-1) bin cn li qua bin c s aki ny. R rng, khi cho bin c

    s cc tr khc nhau ta s c cc vc t {ai} khc nhau. Tuy vy, t s gia cc

    phn t trong vc t ny vi bin c s chn trc lun khng i.

    Nu chn n c s ban u aki = 1, th cc t s ny chnh l cc phn t

    trong vc t (2-12). Trong thc t, ngi ta thng chn n c s ban u l

    a1i = 1, khi vc t bin dao ng ng vi tn s ring i s l:

    1 21 .... ....T

    i i i ki nia a a a a (2-12)

    Trong , cc aki (k = 2, 3, ...n) l nghim ca phng trnh (2-9) ng vi a1i =1.

    Cc phn t ca vc t bin (2-12) cho ta dng dao ng ca h ng vi

    tn s ring th i c gi l dng dao ng ring th i (hay dng dao ng chnh

    th i). Nh vy, h c bao nhiu bc t do s c by nhiu dng dao ng ring.

    Nu ta t tt c cc vc t biu din cc dng dao ng ring vo trong

    mt ma trn vung, k hiu l [A], th [A] c gi l ma trn cc dng dao ng

    ring ca h.

  • 35

    11 12 121 22 2

    1 2

    1 2

    1 1 .... 1

    ........

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n

    n n nn

    a a a

    a a aA a a a

    a a a

    (2-13)

    Cng cn phi ni thm rng, (2-9) hay (2-9)l bi ton tr ring in hnh,

    nn vic gii phng trnh (2-9) xc nh cc tn s dao ng ring v cc

    dng dao ng ring tng ng nh trnh by trn, thc cht l xc nh cc

    gi tr ring v cc vc t ring tng ng ca bi ton tr ring ny nh ta quen

    thuc trong i s hc.

    B- Tnh cht trc giao gia cc dng dao ng ring

    Cc dng dao ng ring ca h nhiu bc t do c tnh cht trc giao.

    Tht vy, xt hai dng dao ng th i v th k. Thay i v k vo (2-9) ri chuyn

    v, ta c:

    Vi i c: 2i i iK a M a (a)

    Vi k c: 2k k kK a M a (b)

    Chuyn tr (a) v ch rng, [M]T = [M]; [K]T = [K] th (a) tr thnh,

    2T

    i i ia K a M (c)

    Nhn bn phi vc t {ak} vo(c), nhn bn tri vc t {ai}T vo (b) ta c:

    2T T

    i k i i ka K a a M a (c)

    2T T

    i k k i ka K a a M a (b)

    Tr hai phng trnh cho nhau: 2 2( ) ' ( ) ' 0Ti k i kc b a M a

    V i k, ta suy ra: 0T

    i ka M a (2-14)

    V mt ton hc, (2-14) l iu kin trc giao ca hai vc t {ai} v {ak},

    cng tc l ca hai dng dao ng ring th i v th k. y l iu phi chng

    minh.

    Thc hin php nhn ma trn, iu kin (2-14) c th vit dng khai trin

    nh sau:

  • 36

    1 1

    2 2

    1 2 1 1 1 2 2 2..... ........ .... .... .... ....

    k

    k

    i i ni i k i k ni n nk

    n nk

    M a

    M aa a a a M a a M a a M a

    M a

    1

    0n

    ji j jk

    j

    a M a

    (2-14)

    C- Chun ha cc dng dao ng ring

    Nu ta thay vc t dng dao ng ring th i, {ai} bng vc t {bi} tha

    mn iu kin

    {bi}T[M] {bi} = 1 (2-15)

    th vc t {bi} c gi l vc t biu din dng dao ng ring th i c

    chun ha, hay gi ngn gn l vc t chun ha dng dao ng ring th i.

    Nu t cc vc t {bi} vo trong mt ma trn vung, k hiu l [B],

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    1 2

    ....

    ........

    .... .... .... ....

    ....

    n

    n

    n

    n n nn

    b b b

    b b bB b b b

    b b b

    (2-13)

    th [B] c gi l ma trn chun ha cc dng dao ng ring ca h. Lc ny

    theo (2-15) ta c:

    T

    B M B E (2-15)

    Trong [E] l ma trn n v cp n.

    S dng dng chun ha ca cc dng dao ng ring kt hp vi h ta

    chnh s cho php ta chuyn vic gii bi ton c n BTD v gii n bi ton c mt

    BTD n gin hn nhiu c trnh by chi tit trong chng 1.

    Tht vy, xc nh {bi}, ta t

    1

    i i

    i

    b ad

    (2-16)

    Trong di l mt h s.

    Thay (2-16) vo (2-15) ta rt ra: 2T

    i i id a M a (2-16)

  • 37

    K hiu ma trn

    2

    1

    2

    2

    2

    .... .... .... ....

    n

    (2-17)

    c gi l ma trn cc tn s dao ng ring, hay ma trn tn s.

    Thay (2-16) vo ma trn [A] (2-13), ri thay vo (2-9) ta c:

    K B M B (a)

    Nhn bn tri c hai v ca (a) vi [B]T v ch ti (2-15) ta c:

    T

    B K B (2-18)

    K hiu vc t {q(t)} nh sau c gi l h ta chnh,

    ( ) ( )y t B q t (2-19)

    Thay (2-19) vo PTVP dao ng t do (2-6) ta c,

    ( ) ( ) 0M B q t K B q t (b)

    Nhn bn tri (b) bi [B]T, kt hp vi (2-15) v (2-18) ta c:

    ( ) ( ) 0q t q t (2-20)

    Phng trnh (2-20) l PTVP dao ng t do khng c lc cn ca h c n

    BTD c vit trong h ta chnh di dng ma trn . (2-20) l mt h phng

    trnh gm n phng trnh c lp (v l ma trn ng cho) m trong mi

    phng trnh ch cha mt hm n. Hay ni cch khc, (2-20) l mt h gm n

    phng trnh c lp c dng sau y- l dng PTVP dao ng ca h mt BTD

    khng c lc cn(1-14):

    2( ) ( ) 0i i iq t q t (2-21)

    ( i = 1,2, ...., n)

    Gii (2-21) (Xem chng 1- h mt BTD) ta c cc nghim qi(t), ri thay

    vo (2-19) ta c li gii ca bi ton.

  • 38

    V D 2.2 Xc nh cc tn s dao ng ring v cc dng dao ng tng

    ng ca dm conson trn c t hai khi lng tp trung nh trn hnh 2-3a.

    Dm c EJ khng i v b qua khi lng dm khi tnh. Cho M = 4

    ml ( m l

    cng khi lng phn b)

    Bi gii:

    H c hai BTD. Cc chuyn v n v tnh c theo cng thc Maxwell-

    Mohr v cho kt qu nh sau:

    EJ

    l

    24

    3

    11 ; EJ

    l

    3

    3

    22 ; EJ

    l

    48

    5 3

    2112 (a)

    1, Xc nh cc tn s dao ng ring

    Cng nh v d 2-1, thay (a) vo phng trnh tn s (2-11) ta c mt

    phng trnh bc hai i vi u, gii phng rnh ny ta c (b qua tnh ton chi

    tit):

    4

    1 0,1004ml

    uEJ

    , suy ra 1 23,156 EJ

    l m (b)

    v 4

    2 0,0043ml

    uEJ

    , suy ra 2 216,258 EJ

    l m

    3,05472

    3,05472

    y 1

    b)

    0,65472

    0,65472

    y 1

    c)

    Hnh 2-3

    M1=2M M2=M

    y

    a)

    2l 2

    l

  • 39

    2, Xc nh cc dng dao ng ring

    Thay ln lt 1,2 (hay u1,u2) vo h phng trnh (2-9) (l h hai

    phng trnh hai n) , ri gi thit trc n th nht bng 1, ta s gii ra n th hai

    l cc bin chuyn ng ca khi lng th nht v th hai, cc dch chuyn

    ny cho ta dng dao ng tng ng.C th:

    Dng dao ng th nht: Thay u1 vo phng trnh th nht (hoc th hai)

    ca (2-9) v cho a11 =1 ta c mt phng trnh cha mt bin a21 nh sau,

    1 11 1 11 2 12 211 0M u a M a

    Thay M1, M2, 11, 12, u1 vo ri gii ta c, a21 = 3,05472; Vc t bin dao

    ng cho ta dng dao ng ring th nht l:

    1 11 21 1,0 3,05472T T

    a a a

    Dng dao ng ny nh trn hnh 2-3b.

    Dng dao ng ring th hai hon ton tng t, thay u2 vo (2-9) ri cho

    a12 = 1, ta s gii c a22 = -0,655. Do vc t bin cho ta dng dao ng

    ring th hai l:

    2 12 22 1,0 0,65472T T

    a a a

    Dng dao ng ring th hai nh trn hnh 2-3c.

    Ma trn cc dng dao ng ring ca bi ton ny l:

    [A] =

    0,654723,05472

    1,01,0

    aa

    aa

    2221

    1211 (c)

    3, Chun ha cc dng dao ng ring

    xc nh ma trn chun ha cc dng dao ng ring [B] ta phi tnh cc

    h s di. Theo (2-16)ta c:

    d12 = {a1}

    T[M]{a1} = {1,0 3,05472}

    3,05472

    1,0M

    10

    02 = 11,33133M

    Suy ra d1 = 3,3662 M

    d22 = {1,0 -0,65472}

    0,65472-

    1,0M

    10

    02 = 2,42866M, suy ra d2 = 1,55842 M

  • 40

    By gi li thay d1,d2 vo (2-16) s c ma trn chun ha [B] nh sau:

    {b1} = 1d

    1{a1} =

    M

    1

    0,90747

    0,2971

    3,05472

    1,0

    M3,3662

    1

    {b2} = 2d

    1{a2} =

    M

    1

    0,42012-

    0,64168

    0,65472-

    1,0

    M1,55842

    1

    Ghp hai vc t b1 v b2 , ta c ma trn chun ha cc dng dao ng ring ca

    h:

    [B] = M

    1

    0,420120,90747

    0,6416770,29707

    (d)

    2.3.3 Phn tch ti trng theo cc dng dao ng ring

    Xt h c n bc t do, n khi lng M1, M2, ...., Mn; Trn c h ti trng

    ng tc dng ti cc khi lng lp thnh vc t ti trng ng nh trong (2-2):

    1

    2

    ( )

    ( )

    ....

    ....( )

    ( )

    ....

    ....

    ( )

    k

    n

    P t

    P t

    P tP t

    P t

    (a)

    Ta s phn tch h ti trng ny thnh cc thnh phn t ti tt c cc khi

    lng tng ng vi cc dng dao ng ring, ngha l:

    ' ' ' '1 11 12 1 1

    ' ' ' '2 21 22 2 2

    ( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )

    ( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )

    .... .......................................................

    ....

    ( )

    ....

    ....

    ( )

    i n

    i n

    k

    n

    P t P t P t P t P t

    P t P t P t P t P t

    P t

    P t

    ' ' ' '

    1 2

    ...

    ..........................................................

    ( ) ( ) .... ( ) .... ( )

    ...........................................................

    .......................................

    k k ki knP t P t P t P t

    ' ' ' '

    1 2

    ....................

    ( ) ( ) .... ( ) .... ( )n n ni nnP t P t P t P t

    (b)

  • 41

    hay vit dng vc t

    ' ' ' '1 2( ) ( ) ( ) ..... ( ) ..... ( )i nP t P t P t P t P t (2-22)

    Trong , Pki(t) l thnh phn lc tc dng ti khi lng th k tng ng vi tn

    s i (dng chnh th i). Nh vy theo (2-19), ta phn tch vc t ti trng

    {P(t)} thnh tng ca n vc t ti trng tng ng vi n dng dao ng ring .

    Vc t ' ' ' ' '1 11 21 1 1( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )T

    k nP t P t P t P t P t l h ti trng tc

    dng ti n khi lng tng ng vi dng chnh th nht.

    Vc t ' ' ' ' '2 12 22 2 2( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )T

    k nP t P t P t P t P t l h ti trng tc

    dng ti n khi lng tng ng vi dng chnh th hai.

    Tng t, ta c cc vc t ti trng tc dng ti cc khi lng tng ng

    vi cc dng chnh th ba, th t, v.v. , th k, v.v., th n:

    ' ' ' ' '1 2( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )T

    n n n kn nnP t P t P t P t P t

    xc nh n vc t ny, ta phi xc nh (nn) thnh phn Pki(t)

    (k, i = 1,2,,n). V Pki(t) lin quan ti khi lng th k, v dng dao ng th i,

    nn ta t:

    ' ( ) ( )ki k ki iP t M a H t (2-23)

    Trong :

    Mk l khi lng th k

    aki l bin dao ng ca khi lng th k tng ng vi dng dao ng

    th i [xem (2-12)]

    Hi(t) l hm tng ng vi dng chnh th i, cha bit m ta phi xc nh.

    p dng (2-23) cho tt c cc khi lng, ta c vc t ngoi lc ng tc

    dng ti cc khi lng tng ng vi dng dao ng th i.

  • 42

    '

    1 1 1

    '

    2 2 2

    '

    '

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    ..........

    ..........

    ( ) ( )

    ..........

    ...........

    ( ) ( )

    i i i

    i i i

    ki k ki i

    ni n ni i

    P t M a H t

    P t M a H t

    P t M a H t

    P t M a H t

    hay dng ma trn

    '1 11

    '2 22

    '

    '

    '

    ( )

    ( )

    .... .......( ) ( )

    ( )

    .... .......

    ( )

    ii

    ii

    i i

    k kiki

    n nini

    M aP t

    M aP t

    P t H tM aP t

    M aP t

    Hay thu gn,

    '( ) ( )i i iP t M a H t (2-24)

    y, [M] l ma trn khi lng, cn {ai} l vc t (2-12) cho ta dng

    dao ng th i . Thay (2-24) vo (2-22), vi (i = 1, 2, , n); ta c:

    1 1 2 2( ) ( ) ( ) .... ( ) .... ( )i i n nP t M a H t M a H t M a H t M a H t (c)

    Nhn bn tri hai v ca (c) vi vc t {ai}T, ta c:

    1 1 2 2( ) ( ) ( ) .... ( )T T T T

    i i i i i ia P t a M a H t a M a H t a M a H t

    .... ( )T

    i n na M a H t (d)

    Do tnh cht trc giao (2-14), nn cc s hng th 1, 2, ...,(i-1), (i+1),

    (i+2),....,n trong (d) u bng khng; ch c s hng th i l khc khng.

    T suy ra:

    ( ) ( )T T

    i i i ia P t a M a H t

    hay

    ( )( )

    T

    i

    i T

    i i

    a P tH t

    a M a (2-25)

  • 43

    Thay (2-25) vo (2-24) ta c vc t ti trng tng ng vi dng dao ng th i

    '

    ( )( )

    T

    i

    i i T

    i i

    a P tP t M a

    a M a

    (2-24)

    Ch :

    1- Khi s dng cng thc (2-24) cn lu : (2-24) c hai tha s, (mi

    tha s c t trong du ngoc n), v phi tnh ring tng tha s; Tha s

    th nht l mt vc t c n phn t; tha s th hai cho ta mt con s; Tch hai

    tha s ny l mt vc t c n phn t chnh l vc t ti trng tng ng vi dng

    dao ng th i.

    Ln lt cho ( i= 1, 2, ..., n) vo (2-24); ta xc nh c n vc t ti trng

    tng ng vi n dng dao ng ring ca h, c tch ra t h ti trng cho

    ban u. C th kim tra s ng n ca php phn tch t cng thc (b), hoc

    (2-22).

    2- Bng cch tng t, ta cng c th phn tch chuyn v theo cc dng

    dao ng ring.

    Nh phn tch h ti trng cho theo cc dng dao ng ring, v nhiu

    khi c chuyn v, m sau ny, khi nghin cu dao ng cng bc ca h nhiu

    bc t do, ta cng c th chuyn vic gii bi ton h nhiu bc t do phc tp v

    gii nhiu bi ton nh h mt bc t do n gin c nghin cu k

    chng 1.

    2.4 CCH CHUYN TNG NG CC TI TRNG NG T

    TI CC V TR BT K TRN KT CU V T TI CC KHI

    LNG

    Khi trn kt cu c cc lc khng t ti cc khi lng, k hiu l P*k(t)

    tc dng, gi s c m lc, lp thnh vc t:

    * * * *1 2( ) ( ) ( ) .... ( )T

    mP t P t P t P t (2-26)

    Lc ny, c th p dng cc kt qu trnh by phn trn, ta phi

    thay th tng ng (chuyn tng ng) h lc ny thnh h lc t ti cc

    khi lng

    C nhiu cch chuyn tng ng nh vy, song ch l gn ng. Sau y

    l mt trong cc cch chuyn tng ng nh vy da trn gi thit gn ng

  • 44

    cho rng: Hai h lc tng ng l hai h lc gy ra chuyn v tnh ti cc khi

    lng bng nhau. K hiu vc t h lc thay th t ti n khi lng l ,

    1 2( ) ( ) ( ) .... ( )T

    nP t P t P t P t (2-27)

    .

    v *ik l chuyn v n v ti khi lng th i do lc bng n v t ti lc

    P*k(t) gy ra;

    ij l chuyn v n v ti khi lng th i do lc bng n v t ti khi

    lng th j gy ra. Khi , chuyn v ti cc khi lng th (1, 2, , n ) do h lc

    {P*(t)} gy ra, bng chuyn v ny, do h lc thay th {P(t)} gy ra, ngha l:

    * * * * * *1 11 1 12 2 1

    * * * * * *

    1 1 2 2

    ( ) ( ) ( ) ... ( )

    .... ...................................................

    ( ) ( ) ( ) ... ( )

    .... ............................................

    ( )

    m m

    i i i im m

    n

    y t P t P t P t

    y t P t P t P t

    y t

    11 1 12 2 1

    1 1 2 2

    * * * * * *

    1 1 2 2

    ( ) ( ) ... ( )

    ................................................

    ( ) ( ) ... ( )

    .......................................................

    ( ) ( ) ... ( )

    n n

    i i in n

    n n nm m

    P t P t P t

    P t P t P t

    P t P t P t

    1 1 2 2

    ( )

    .

    ( ) ( ) ... ( )n n nn n

    c

    P t P t P t

    K hiu ma trn sau,

    * * *

    11 12 1

    * * *

    * 21 22 2

    * * *

    1 2

    ....

    ....

    .... .... .... ....

    ....

    m

    m

    n n nm

    N

    (2-28)

    Lc ny c th biu din h n ng thc (c) di dng ma trn:

    * *( ) ( )N P t N P t (c)

    *

    1 ( )P t

    M1 M2 Mn .....

    .

    .....

    .

    *

    2 ( )P t *( )mP t

    Hnh 2.4

    1( )P t

    M1 M2 Mn .....

    .

    .....

    .

    2 ( )P t ( )nP t

  • 45

    Suy ra, 1 * *( ) ( )P t N N P t (2-29)

    Trong , [N] l ma trn mm ca h c tnh theo (2-1).

    2.5 DAO NG CNG BC CA H NHIU BC T DO, KHNG

    LC CN CHU LC KCH THCH IU HO: P(t)=P0sinrt

    2.5.1 Biu thc ni lc ng v chuyn v ng

    Xt h nhiu bc t do chu tc dng ca cc lc kch thch iu ha cng

    tn s. Cng nh h mt bc t do, trong thc t lun tn ti lc cn; nn d lc

    cn rt nh, th sau mt khong thi gian no , dao ng t do cng s mt i.

    Dao ng ca h lc ny hon ton ph thuc lc kch thch iu ha, nn ni lc,

    ng sut, v.v. cng thay i iu ha cng chu k vi chu k ca lc kch thch.

    Khi h c n BTD, s c n tn s dao ng ring. Khi mt trong s cc tn

    s ring xp x bng tn s lc kch thch s xut hin hin tng cng hng.

    Thc t, tn s lc kch thch thng nh hn nhiu so vi tn s dao ng ring

    (r

  • 46

    V dao ng n nh, nn cc i lng nghin cu u bin i iu

    ha theo cng mt tn s vi tn s ca lc kch thch. Bi vy, khi ti trng t

    bin , th cc i lng nghin cu cng t bin , ngha l:

    01 1 2 2 ...

    P

    K K K K Kn nS S S Z S Z S Z (2-30)

    Trong ,

    0PKS l tr s ca SK do bin lc ng P0 t tnh gy ra, v c xc

    nh bng cc phng php c trnh by trong gio trnh c hc kt cu.

    S ki l gi tr SK do lc qun tnh Zi = 1 t tnh gy ra. (i = 1, 2, ,n)

    Zi l bin ca lc qun tnh Zi(t)

    Nh vy, xc nh c Sk ta phi xc nh c cc bin lc qun tnh Zi.

    2.5.2 Xc nh bin ca cc lc qun tnh

    Khi b qua lc cn, phng trnh chuyn ng ca khi lng th i, theo

    nguyn l cng tc dng , c dng:

    1 1 2 2( ) ( ) ( ) ... ( ) ( )i i i in n iPy t Z t Z t Z t t (c)

    Trong , iP(t) l chuyn v ca khi lng th i do cc lc ng P(t) gy ra.

    Sau khi dao ng n nh, c yi(t), Zi(t), v iP(t) u bin i iu ha vi tn

    s r ca lc kch thch. Ngha l:

    ( ) sinrti iy t v 0( ) sinrtiP iPt (d)

    ng thi, 2( ) sinrti iy t r

    Trong , i l bin chuyn v ng ca khi lng th i ta ang tnh.

    0iP

    l chuyn v ca khi lng th i do bin P0 ca cc lc

    ng P(t) t tnh gy ra.

    Mt khc, lc qun tnh ( ) ( )i i iZ t M y t (f)

    Thay (d) vo (f) ta c: 2 2i( ) sinrt=M ( )i i i iZ t M r r y t

    Hay rt ra: 2

    1( ) ( )i i

    i

    y t Z tM r

    (2-31)

  • 47

    Thay (a), (d), v (2-31) vo (c), ri chuyn v v t sinrt lm tha s

    chung, ta c:

    01 1 2 2 2

    1... ... sin 0i i ii i in n iP

    i

    Z Z Z Z rtM r

    (g)

    V sinrt khc khng (do tn ti dao ng), nn t (g) ta rt ra c h

    phng trnh dng xc nh bin ca cc lc qun tnh, khi h chu tc dng

    ca cc lc kch thch iu ha v khng c lc cn, nh sau:

    0

    *

    1 1 2 2 ... ... 0i i ii i in n iPZ Z Z Z (2-32)

    ( i = 1, 2, , n)

    Trong ta k hiu, *2

    1ii ii

    iM r

    (2-33)

    ( i = 1,2,,n)

    Gii h phng trnh (2-32) ta c bin ca cc lc qun tnh. Nu kt

    qu tnh ra dng, th chiu gi thit ban u ca lc l ng; Nu kt qu tnh ra

    m, th chiu gi thit l sai v phi i ngc li. t cc lc qun tnh v cc lc

    kch thch theo ng chiu , v c tr s bng bin ca chng; ta s xc nh

    c i lng cn tm bng l thuyt tnh hc c trnh by trong gio trnh

    c hc kt cu.

    V D 2. 3

    Cho dm di l = 6m, trn t hai m t, trng lng mi m t l G = 10

    kN. Khi m t th nht quay vi vn tc n = 450 v/pht to ra lc ly tm P0 = 5

    kN. Xem hnh 2.5a.

    Yu cu : Xc nh cc tn s dao ng ring, v v biu bin m men

    ng, v biu m men tng cng ca dm. Bit dm c: J = 8880 cm4;

    E = 2,1. 104 kN/cm

    2; Ly g = 981cm/s2 v b qua khi lng v trng lng ca

    dm trong tnh ton.

  • 48

    Gii: 1, Xc nh cc tn s dao ng ring

    H c hai bc t do, nn phng trnh tn s, theo (2-11) c dng

    1 11 2 12

    1 21 2 22

    0M u M

    DM M u

    (a)

    T cc biu m men n v trn hnh 2.5c v d; ta tnh c theo

    Maxwell-Mohr:

    3 3

    11 22 12 21

    4 7;

    243 486

    l l

    EJ EJ (b)

    Thay (b) vo (a) v gii, ta c:

    3 3

    1 2

    5;

    486 162

    Ml Mlu u

    EJ EJ

    Nn 2 21 23 32 1

    1 162 1 486;

    5

    EJ EJ

    u Ml u Ml (c)

    Thay 2 210

    1,02 ; 69,81

    G kNs kNsM l m

    g m m v EJ vo (c), ta c

    11 52,5s v 12 203s

    P0

    oPM b)

    0

    2

    9P l

    P1=1

    1M c)

    2

    9l

    P2=1

    2M d)

    2

    9l

    Hnh 2.5

    d

    kNm

    M

    58.41 54,855

    ( )

    kNm

    M

    tM

    20 20

    tc

    kNm

    M

    78.41 74,855

    P(t)=P0sinrt

    a) M1 M2

    G2 G1

    3l

    3l

    3l

  • 49

    2, Xc nh bin cc lc qun tnh

    H phng trnh xc nh bin hai lc qun tnh Z1 v Z2, theo (2-32), trong

    trng hp ny l,

    0

    0

    *

    11 1 12 2 1

    *

    21 1 22 2 2

    0

    0

    P

    P

    Z Z

    Z Z

    (d)

    Tn s lc kch thch r = 2n/60 = 50 s-1; ng thi thay l, E, J vo (b) ta

    tnh c:

    11 = 22 = 1,908.10-4

    m

    kN; 12 = 21 = 1,67. 10

    -4 m

    kN; (b)

    Thay M, r, 11 vo (2-25) c: *11 = *22 = - 2,013.10-4 m

    kN (f)

    (n v ca ik trong (b) v (f) c gii thch v d 4- 1)

    Cn 01P

    , v 02P

    c th tnh c t cc biu m men n v trn cc

    hnh 2.5c v d, v biu 0P

    M trn hnh 2.5b; Tuy nhin y c th tnh n

    gin hn, bi v:

    0

    4

    1 0 11. 5 .1,908 9,54.10Pm

    P kN mkN

    0

    4

    2 0 21. 5 .1,67 8,35.10Pm

    P kN mkN

    (g)

    Thay (f), (g) vo (d) v gii h phng trnh ny ta c:

    Z1 = 25,98 kN; Z2 = 25,65 kN (h)

    3, V cc biu ni lc yu cu

    C hai cch v biu bin m men ng

    a, Cch v trc tip:

    Theo cch ny, ta t vo h cc lc c tr s bng bin cc ngoi lc

    ng v bin cc lc qun tnh, ri tnh ton nh vi bi ton tnh di tc

    dng ca cc lc ny.

  • 50

    b, Cch v theo nguyn l cng tc dng:

    Theo cch ny , biu bin m men ng c v theo cng thc (2-30)

    M01 1 2 2

    . . PM Z M Z M (i)

    Kt qu cho trn hnh 2.5e;

    So snh hai biu : M v 00

    ( )P

    t PM M ta thy rng, trong trng hp

    tng qut, h s K ti cc tit din khc nhau l khc nhau. Nh vy, khc vi h

    mt bc t do, i vi h nhiu bc t do, ta khng c mt h s K chung cho tt

    c cc tit din ; cng nh khng c mt h s K chung cho tt c cc i lng

    nghin cu. Tuy nhin nh sau ny s thy, n gin trong tnh ton , ng thi

    thin v an ton, i vi mt i lng nghin cu ta cng c th dng mt h s

    K chung, l K ca tit din c tr s K ln nht. V d trng hp ang xt,

    h s ng c tr s ln nht i vi m men l ti tit din t khi lng M2:

    Max K = 3,335

    58,855 = 16,4.

    Thm ch, nhiu khi ngi ta cn dng mt h s K chung cho tt c cc

    i lng. Lc ny h s ng c tnh theo cng thc (1-36) i vi h mt bc

    t do, m ta ly tn s ring b nht 1 tnh ton.

    c, Biu m men tng cng:

    Trc khi ng c t ti khi lng th nht hot ng, trong dm c

    ni lc do trng lng ca hai ng c gy ra. Biu m men ny v c nh

    trn hnh 2.6f. (k hiu l Mt(M)

    ). R rng, khi ng c lm vic, m men ln nht

    xut hin trong dm s l tng ca hai biu ny, v ta gi n l biu m men

    tng cng.

    Mtc = M + Mt(M)

    (k)

    Kt qu nh trn hnh 2.5g.

    Ch :

    Ta cng c th gii bi ton bng cch phn tch ti trng iu ha cho

    ra n h ti trng tng ng vi cc dng dao ng ring (vi bi ton ang xt

    n=2) ri gii bi ton nh h mt bc t do. Cch lm ny s c trnh by mc

    tip theo y.

  • 51

    2.6 DAO NG CNG BC CA H NHIU BC T DO, KHNG

    LC CN, CHU LC KCH THCH BT K P(t)

    Trong trng hp ny, ta c th gii bi ton bng nhiu cch.

    Cch 1: Ta phn tch ti trng bt k thnh cc hm iu ha di dng chui

    lng gic, ri gii bi ton nh c trnh by mc 2.5. Khi ti trng ng

    P(t) c chu k T, th c th phn tch thnh chui lng gic nh sau:

    0 1 2 k 1 2 k( ) sinrt+a sin2rt+...+a sin .... osrt+b os2rt+...+b oskrt+...P t a a krt b c c c (2-34)

    Trong , r = T

    (c gi l tn s c bn ca lc kch thch)

    a0 = dttPT

    1T

    0

    ak = T

    0

    tPT

    k sinkrt dt (2-34)

    bk = T

    0

    tPT

    kcoskrt dt

    Cch 2: S dng h ta chnh a h n BTD v n bi ton h mt BTD.

    Xt trng hp khng lc cn, PTVP dao ng tng qut c dng:

    ( ) ( ) ( )M y t K y t P t (2-35)

    Nhn bn tri (2-35) vi [B]T , v ch ti (2-19) ta c:

    ( ) ( ) ( )T T T

    B M B q t B K B q t B P t

    Hay ( ) ( ) ( )T

    q t q t B P t (2-35)

    Phng trnh (2-35) l mt h gm n phng trnh c lp c dng nh

    dng PTVP dao ng ca h mt BTD (1-39);

    [iu ny cng c ni ti khi nghin cu dao ng t do im (c) ca mc

    2.3.2]

    2 1 1 2 2( ) ( ) ( ) ( ) .... ( )i i i i i in nq t q t B P t B P t B P t (2-36)

    ( i = 1, 2, ...., n)

  • 52

    Trong , Bij (i, j = 1,2,....,n) l cc phn t ca ma trn chun ha B .

    Nghim ca phng trnh (2-36) c biu din qua tch phn Duhamel

    (1- 41) nh bit mc (1- 5). Thay cc nghim qi(t) vo (2-19) ta c li gii

    ca bi ton.

    Cch 3: Da vo (2-24) ta phn tch vc t ti trng {P(t)} theo cc dng chnh,

    sau gii n bi ton nh h mt BTD c trnh by chng mt.C th l:

    ( B qua cc bin i chi tit):

    Phng trnh chuyn ng ca khi lng th k di tc dng ca h lc

    ng {P(t)} l:

    1

    ( ) ( )n

    k ki i

    i

    y t a S t

    (2-37)

    Trong Si(t) l nghim ca PTVP sau:

    2( ) ( ) ( )i i i iS t S t H t (2-38)

    y Hi(t) c tnh theo cng thc (2- 25), cn aki l thnh phn th k ca

    vc t bin dao ng ca dng chnh th i. (xem 2-12); phng trnh vi phn

    (2-38) c dng nh ca h mt BTD, nghim tng qut ca n c biu din qua

    tch phn Duhamel (1-41) nh c trnh by trong mc 1-5.

    ************

  • 53

    Z(z,t)

    b)

    y

    z a)

    q(z,t)

    c)

    Rc(z,t)

    Hnh 3.1

    Chng 3 DAO NG NGANG CA THANH THNG

    C V HN BC T DO

    3.1 PHNG TRNH VI PHN TNG QUT DAO NG NGANG

    CA THANH THNG

    Mt h kt cu thc t lun lun c v hn bc t do. Xt on thanh thng

    c t trong h ta (yz). Xt trng hp tng qut thanh c tit din thay i

    vi khi lng phn b cng m(z), chu tc dng ca h lc ngang phn b

    cng q(z,t) nh trn hnh 3.1a..

    Dao ng ngang ca h ti thi

    im no , chnh l v tr ng n

    hi ca n ti thi im xt. Phng

    trnh ng n hi khi h chu tc

    dng ca ti trng ng, ph thuc

    hai bin l z v t, ngha l:

    y = y(z,t) (a)

    Mi quan h gia ng n

    hi ca trc thanh c tit din thay

    i vi ti trng ngang phn b trn

    thanh, trng hp ti trng tnh,

    c nghin cu trong gio trnh Sc

    bn vt liu:

    zqzydz

    dzEJ

    dz

    d2

    2

    2

    2

    (b)

    Vi qui c trc y hng xung l dng, cn ti trng hng ln l dng.

    Trng hp ti trng ng th:

    2

    2 2( ) ( , ) ( , )EJ z y z t p z t

    z z

    (3-1)

    y, p(z,t) l tng ti trng ngang tc dng trn dm (chiu hng ln l

    dng). Khi dao ng, gi s ti thi im t h ang chuyn ng hng xung

  • 54

    cng chiu vi trc y, ngoi lc kch thch q(z,t), thanh cn chu tc dng ca h

    lc qun tnh phn b :

    2

    2( , ) ( ) ( , )Z z t m z y z t

    t

    (c)

    V lc cn phn b: R(z,t) (ngc chiu chuyn ng) (d)

    Do ta c: ( , ) ( , ) ( , ) ( , )P z t q z t Z z t R z t

    hay l 2

    2( , ) ( , ) ( ) ( , ) ( , )P z t q z t m z y z t R z t

    t

    (3-2)

    Thay (3-2) vo (3-1) ri chuyn v, ta c PTVP dao ng ngang tng

    qut ca thanh thng c tit din thay i l:

    2 2 2

    2 2 2( ) ( , ) ( ) ( , ) ( , ) ( , )EJ z y z t m z y z t R z t q z t

    z z t

    (3-3)

    Trng hp ring, khi tit din thanh l hng s, th phng trnh (3-3) c

    dng n gin hn:

    ),(),(),(),(2

    2

    2

    2

    2

    2

    tzqtzRtzyt

    mtzyz

    EJz

    (3-3)

    Trng hp dao ng t do th v phi ca (3-3) hay (3-3) bng khng.

    Sau y ta gii PTVP (3-3) trong mt s trng hp ring.

    3.2 DAO NG T DO KHNG C LC CN CA THANH THNG

    TIT DIN HNG S - TNH CHT TRC GIAO CA CC DNG

    DAO NG RING

    3.2.1 Phng trnh vi phn dao ng t do khng c lc cn

    Phng trnh vi phn dao ng trong trng hp ny, theo (3-3) l:

    4 2

    4 2( , ) ( , ) 0

    my z t y z t

    z EJ t

    (3-4)

    y l PTVP o hm ring cp bn thun nht, nghim ca n c th c

    biu din di dng tch bin nh sau:

    ( , ) ( ) ( )y z t y z s t (3-5)

    Thay (3-5) vo (3-4) ta c:

  • 55

    0zydt

    tSdtS

    dz

    zyd

    m

    EJ2

    2

    4

    4

    Hay chuyn v c:

    2

    2

    4

    4

    dt

    tSd

    tS

    1-

    dz

    zyd1

    m

    EJ

    zy (f)

    Hai v ca (f) ph thuc hai bin khc nhau nn chng ch bng nhau khi c

    hai v cng c gi tr bng mt hng s no , gi s k hiu l 2. Nh vy, t

    (f) ta c th biu din PTVP o hm ring cp bn (3-4) bng hai PTVP thng

    (ch ph thuc mt bin).

    2

    2

    2

    ( )( ) 0

    d S tS t

    dt (3-6)

    v

    0zyEJ

    m

    dz

    zyd 24

    4

    (3-7)

    Nh , thay cho gii mt PTVP o hm ring (3-4) phc tp, ta gii hai

    PTVP thng (3-6) v (3-7) n gin hn nhiu.

    3.2.2 Gii PTVP (3-6)-Xc nh quy lut dao ng t do

    Phng trnh vi phn (3-6) chnh l PTVP dao ng t do, khng lc cn,

    ca h mt bc t do (1-14) c trnh by trong chng 1, nn nghim tng

    qut ca n theo (1-18) s l:

    ( ) Asin( t+ )s t

    Hay ( ) sin( t+ )s t (3-8)

    y ta cho A = 1; S d lm c nh vy, bi v t (3-5) ta thy bin

    dao ng chnh l hm y(z). Bi vy sau ny ta gp A nm trong y(z) lun

    [xem(3-5)]. Theo (3-8), dao ng t do ca h c v hn BTD cng l dao ng

    iu ha.

    3.2.3 Gii PTVP (3-7) Xc nh tn s dao ng ring v dng

    dao ng ring

    Nghim ca (3-7) l hm y(z) s cho ta bin dao ng, cng chnh l

    dng dao ng ring ca h. Do thanh c tit din khng i, nn (3-7) l PTVP

    thng cp bn c h s l gng s; Nghim tng qut c dng:

  • 56

    31 2 41 2 3 4( )

    zz z zy z a e a e a e a e

    (g)

    Trong a1, a2, a3, a4 l cc hng tch phn, cn 1, 2, 3, 4 l nghim ca

    phng trnh c trng ca PTVP (3-7) nh sau:

    4 k4 = 0, vi k hiu k4 = 2EJ

    m (3-9)

    Nn ta c: 1,2 = k; v 3,4 = ik (h)

    Thay (h) vo (g) ta c nghim ca PTVP (3-7) l:

    1 2 3 4( )

    kz kz ikz ikzy z a e a e a e a e (i)

    S dng quan h

    1

    2

    x xChx e e v 1

    2

    x xShx e e (k)

    Th (i) tr thnh:

    ( ) oskz+Dsinkzy z Achkz Bshkz Cc (3-10)

    Trong , A, B, C, D, l cc hng tch phn, c xc nh t cc iu kin

    bin nh sau:

    a, Ti gi ta khp c: vng y(z) = 0; v

    m men M(z) = 0 => 2

    2

    dz

    zyd = 0

    b, Ti ngm cng c: y(z) = 0 v gc xoay (z) =

    dz

    zyd = 0 (3-11)

    c, Ti u t do c: M men M(z) = 0 => 2

    2

    dz

    zyd = 0; v

    Lc ct Q(z) = 0 => 3

    3

    dz

    zyd = 0

    thun tin cho tnh ton sau ny , ta t:

    A = 2

    CC 31 ; B = 2

    CC 42 ; C = 2

    CC 31 ; D = 2

    CC 42 (3-12)

    Khi nhim (3-10) c dng:

  • 57

    1 2 3 4( ) kz kz kz kzy z C A C B C C C D (3-13)

    Trong ta k hiu cc hm nh sau:

    Akz = 2

    cosch kzkz ;