Vibration of solids and structures under moving loads pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Thomas Telford Ltd

作者:L Fryba

出品人:

页数:524

译者:

出版时间:1972-01-01

价格:USD 47.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780727735393

丛书系列:

图书标签:

• 振动
• 移动载荷
• 结构动力学
• 固体力学
• 结构工程
• 动力响应
• 振动分析
• 桥梁振动
• 车辆-结构相互作用
• 有限元分析

动态载荷下的结构振动：理论、方法与应用 本书旨在深入探讨在移动载荷作用下，固体与结构系统所展现出的复杂振动现象。我们聚焦于理解这些动态载荷如何激发、传播并最终影响结构的整体响应，以及如何通过精确的分析和有效的控制手段来应对由此带来的挑战。本书不涉及具体某一著作的详细内容，而是从一个更宏观、更具普适性的视角，阐述该领域的核心概念、关键理论、计算方法以及广泛的应用前景。 引言：移动载荷问题的起源与重要性 想象一下，一辆满载货物的火车疾驰而过，一座繁忙的起重机正在吊装重物，甚至是我们日常生活中汽车行驶在桥梁上，飞机起降在跑道上。这些场景都指向一个共同的物理现象：移动的载荷。与静止载荷不同，移动载荷不仅仅施加一个静态的力，更重要的是，它在结构上产生了一个随时间变化的激励源，这种激励会随着载荷的移动而传播，从而引发一系列复杂的动态响应，包括振动、应力集中、甚至潜在的结构破坏。 对移动载荷下结构振动问题的研究，其重要性不言而喻。在工程实践中，任何承载移动物体的结构，无论是交通基础设施（桥梁、铁路、公路、机场跑道）、工业机械（传送带、起重机、火车车厢）、航空航天器（飞机、导弹）还是甚至生物力学（骨骼在运动中的受力），都可能面临此类挑战。精确预测和理解这些振动，对于确保结构的安全性、可靠性、使用寿命以及舒适性至关重要。忽视这些动态效应，可能导致结构疲劳、性能下降、运营中断，甚至灾难性的事故。 本书将带领读者从基础理论出发，逐步深入到复杂的建模与分析技术，并最终探讨这些理论在现实世界中的应用。我们将避免局限于某一部具体著作的叙述框架，而是致力于构建一个清晰、连贯且深入的知识体系，使读者能够全面掌握这一领域的研究脉络与核心要素。 第一章：基础理论回顾与动态力学基础 在深入探讨移动载荷效应之前，我们首先需要回顾和巩固一些基础的动态力学概念。本章将梳理以下几个关键方面： 简谐振动与多自由度系统： 从单自由度系统（SDOF）的自由振动与受迫振动入手，理解固有频率、阻尼比、响应幅值等基本概念。随后，将系统扩展到多自由度系统（MDOF），介绍其模态分析、叠加原理以及如何描述更复杂的结构响应。 弹性力学基础： 回顾应力、应变、本构关系（如胡克定律）等弹性力学基本概念。重点在于理解材料的弹性性质如何影响结构的变形与振动传播。 连续体模型与离散化方法： 介绍连续介质（如梁、板、壳）的振动方程（例如欧拉-伯努利梁理论、Timoshenko梁理论）。同时，引入将连续体离散化为有限单元（FEM）、有限差分（FDM）等数值方法的概念，为后续的数值模拟奠定基础。 拉格朗日方程与哈密顿原理： 从能量守恒的角度，引入拉格朗日方程和哈密顿原理，提供了一种更普适的系统动力学建模方法，尤其适用于复杂系统。 第二章：移动载荷建模与激励源分析 本章将是本书的核心内容之一，聚焦于如何准确地对移动载荷进行建模，以及分析其产生的激励。 移动载荷的数学描述： 探讨如何用数学函数来描述移动载荷的位置、大小、方向和速度。例如，点载荷、分布载荷、随时间变化的载荷等。 载荷移动的动力学特性： 区别静态加载与动态加载。分析载荷速度、加速度对结构动力学响应的影响。例如，随着速度的增加，响应的频率成分会发生变化，可能出现共振现象。 载荷与结构的耦合： 讨论载荷与其所作用的结构之间的相互作用。在某些情况下，载荷的移动可能会受到结构的变形反作用力影响，反之亦然。这种情况需要采用耦合分析方法。 时域与频域分析： 介绍如何将移动载荷的时域特性转换为频域特性。这对于理解结构的固有频率与载荷激励频率之间的关系至关重要。例如，傅里叶变换在载荷激励分析中的应用。 移动载荷的特殊类型： 探讨一些特殊但常见的移动载荷类型，例如： 点载荷的移动： 例如，火车车轮在轨道上的作用。 分布式载荷的移动： 例如，车辆在桥梁上的整体重量分布。 振动源的移动： 例如，移动的振动平台。 惯性力效应： 载荷自身的质量及其运动产生的惯性力，对结构产生的额外激励。 第三章：移动载荷下结构的动力学响应分析 理解了载荷的建模，本章将重点关注在这些动态激励下，结构会产生怎样的响应。 解析解法： 对于一些简化的结构模型（例如无限长梁、简支梁）和简单的移动载荷，可以尝试推导解析解。虽然其应用范围有限，但对于理解基本原理和验证数值方法至关重要。 数值解法： 有限元法（FEM）： 这是目前最主流的数值分析方法。本章将深入探讨如何在FEM框架下处理移动载荷。这通常涉及到时间相关的网格变形（或载荷在固定网格上的插值）、以及如何建立和求解时间相关的动力学方程（例如 [M]{ü(t)} + [C]{u̇(t)} + [K]{u(t)} = {f(t)} ）。 其他数值方法： 简要介绍有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）等在处理移动载荷问题中的应用。 模态分析在移动载荷问题中的应用： 即使结构本身是非线性的，通过模态分解，可以将复杂的动力学问题转化为一系列耦合或独立的振动方程，从而简化求解。探讨如何利用结构的模态信息来分析移动载荷引起的响应。 响应特征分析： 振幅与频率： 分析响应的振幅随时间、载荷速度、结构参数的变化。识别是否存在共振现象，并探讨其发生的条件。 应力与应变： 计算在移动载荷作用下的动态应力与应变分布，评估结构的承载能力和疲劳风险。 位移与速度： 分析结构表面的位移和速度响应，这对于舒适性分析和结构健康监测至关重要。 能量传播： 探讨能量如何随着移动载荷在结构中传播，以及不同结构部件对能量传播的影响。 第四章：共振、阻尼与非线性效应 移动载荷问题中的共振现象是工程实践中必须高度关注的。本章将深入探讨与此相关的因素。 共振的产生机理： 详细解释当载荷移动速度与结构的某个模态振动速度匹配时，产生的共振现象。引入“相干性”的概念，描述载荷移动与结构响应之间的同步性。 临界速度的确定： 介绍如何计算结构的临界速度，即可能引发共振的速度。分析结构几何形状、材料性质、支撑条件等因素对临界速度的影响。 阻尼的作用与建模： 讨论阻尼（包括材料阻尼、结构阻尼、空气阻尼等）在抑制振动、降低共振幅度中的关键作用。介绍不同阻尼模型的建立（例如 Rayleigh 阻尼、线性粘性阻尼）及其在数值计算中的应用。 非线性效应： 材料非线性： 当应力超过弹性极限时，材料会表现出非线性行为，这会显著改变结构的响应。 几何非线性： 大变形会导致结构的刚度发生变化，产生几何非线性。 接触非线性： 例如，轮轨之间的接触，在分析中可能需要考虑非线性的接触力学。 非线性系统下的移动载荷响应： 讨论如何处理和分析非线性系统在移动载荷作用下的响应，例如利用分步法、多尺度法等。 第五章：工程应用与案例分析 本章将把理论知识应用于实际工程问题，展示移动载荷振动分析的广泛性和实用性。 交通工程： 桥梁工程： 分析车辆、火车在桥梁上的动态响应，预测疲劳寿命，优化桥梁设计。考虑轮载荷谱、轨道不平度等因素。 轨道交通： 研究高速列车与轨道耦合振动，解决噪音、振动传递问题。 机场跑道： 分析飞机起降对跑道结构的动态影响，保障跑道安全。 机械工程： 旋转机械： 分析转子不平衡、轴承故障等引起的移动载荷效应。 传送带系统： 载荷在传送带上的移动引起的振动分析。 起重机与工业设备： 移动起重机、搬运机器人等引起的动态载荷效应。 航空航天工程： 火箭发射平台： 分析发射过程中由火箭发动机产生的冲击波和气动载荷的移动效应。 飞行器结构： 分析飞行器在不同载荷（如燃油、武器）移动过程中的动态响应。 其他领域： 生物力学： 例如，分析人体在跑步、跳跃时产生的地面反作用力对骨骼和关节的动态影响。 土木工程： 例如，分析地下工程中挖掘设备移动引起的地面振动。 第六章：控制与减振策略 在理解了移动载荷引起的振动问题后，本章将探讨有效的控制与减振策略。 被动控制： 阻尼器的应用： 粘滞阻尼器、摩擦阻尼器、弹簧阻尼器等在结构中的应用，以耗散振动能量。 隔振支座： 在结构与地面或承载结构之间设置隔振材料，以减少振动传递。 结构参数优化： 通过改变结构的刚度、质量分布等参数，调整其固有频率，避免与载荷激励频率发生共振。 主动控制： 主动阻尼系统： 利用传感器、控制器和执行器，实时监测结构响应，并施加反向激励来抵消振动。 反馈控制与前馈控制： 介绍不同控制策略在主动减振中的应用。 半主动控制： 结合被动与主动控制的优点，例如，具有可调阻尼的阻尼器。 减振设计原则： 总结在设计阶段就考虑移动载荷因素的原则，例如，优化路径规划、载荷分配等。 结论：未来发展方向与展望 本书将以对该领域未来发展方向的展望作为结束。这可能包括： 多物理场耦合效应： 考虑移动载荷与热、流体、电磁等其他物理场的耦合作用。 智能材料与结构： 探索利用智能材料（如压电材料、形状记忆合金）进行主动减振的可能性。 机器学习与人工智能在振动分析中的应用： 利用大数据和先进的算法进行更精准的预测和更有效的控制。 高性能计算与数值模拟： 发展更高效、更精确的数值方法，以应对日益复杂的工程问题。 实验验证与模型修正： 强调理论与实验的结合，以及模型修正的重要性。 通过对以上章节的系统性阐述，本书力求为读者构建一个完整、深入且具有指导意义的移动载荷下结构振动分析知识体系。我们希望本书不仅能为研究人员提供理论支持，也能为工程师们在实际工程问题中提供有效的解决方案。

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