Vibration of solids and structures under moving loads pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Thomas Telford Ltd

作者:L Fryba

出品人:

頁數:524

译者:

出版時間:1972-01-01

價格:USD 47.00

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780727735393

叢書系列:

圖書標籤:

• 振動
• 移動載荷
• 結構動力學
• 固體力學
• 結構工程
• 動力響應
• 振動分析
• 橋梁振動
• 車輛-結構相互作用
• 有限元分析

動態載荷下的結構振動：理論、方法與應用 本書旨在深入探討在移動載荷作用下，固體與結構係統所展現齣的復雜振動現象。我們聚焦於理解這些動態載荷如何激發、傳播並最終影響結構的整體響應，以及如何通過精確的分析和有效的控製手段來應對由此帶來的挑戰。本書不涉及具體某一著作的詳細內容，而是從一個更宏觀、更具普適性的視角，闡述該領域的核心概念、關鍵理論、計算方法以及廣泛的應用前景。 引言：移動載荷問題的起源與重要性 想象一下，一輛滿載貨物的火車疾馳而過，一座繁忙的起重機正在吊裝重物，甚至是我們日常生活中汽車行駛在橋梁上，飛機起降在跑道上。這些場景都指嚮一個共同的物理現象：移動的載荷。與靜止載荷不同，移動載荷不僅僅施加一個靜態的力，更重要的是，它在結構上産生瞭一個隨時間變化的激勵源，這種激勵會隨著載荷的移動而傳播，從而引發一係列復雜的動態響應，包括振動、應力集中、甚至潛在的結構破壞。 對移動載荷下結構振動問題的研究，其重要性不言而喻。在工程實踐中，任何承載移動物體的結構，無論是交通基礎設施（橋梁、鐵路、公路、機場跑道）、工業機械（傳送帶、起重機、火車車廂）、航空航天器（飛機、導彈）還是甚至生物力學（骨骼在運動中的受力），都可能麵臨此類挑戰。精確預測和理解這些振動，對於確保結構的安全性、可靠性、使用壽命以及舒適性至關重要。忽視這些動態效應，可能導緻結構疲勞、性能下降、運營中斷，甚至災難性的事故。 本書將帶領讀者從基礎理論齣發，逐步深入到復雜的建模與分析技術，並最終探討這些理論在現實世界中的應用。我們將避免局限於某一部具體著作的敘述框架，而是緻力於構建一個清晰、連貫且深入的知識體係，使讀者能夠全麵掌握這一領域的研究脈絡與核心要素。 第一章：基礎理論迴顧與動態力學基礎 在深入探討移動載荷效應之前，我們首先需要迴顧和鞏固一些基礎的動態力學概念。本章將梳理以下幾個關鍵方麵： 簡諧振動與多自由度係統： 從單自由度係統（SDOF）的自由振動與受迫振動入手，理解固有頻率、阻尼比、響應幅值等基本概念。隨後，將係統擴展到多自由度係統（MDOF），介紹其模態分析、疊加原理以及如何描述更復雜的結構響應。 彈性力學基礎： 迴顧應力、應變、本構關係（如鬍剋定律）等彈性力學基本概念。重點在於理解材料的彈性性質如何影響結構的變形與振動傳播。 連續體模型與離散化方法： 介紹連續介質（如梁、闆、殼）的振動方程（例如歐拉-伯努利梁理論、Timoshenko梁理論）。同時，引入將連續體離散化為有限單元（FEM）、有限差分（FDM）等數值方法的概念，為後續的數值模擬奠定基礎。 拉格朗日方程與哈密頓原理： 從能量守恒的角度，引入拉格朗日方程和哈密頓原理，提供瞭一種更普適的係統動力學建模方法，尤其適用於復雜係統。 第二章：移動載荷建模與激勵源分析 本章將是本書的核心內容之一，聚焦於如何準確地對移動載荷進行建模，以及分析其産生的激勵。 移動載荷的數學描述： 探討如何用數學函數來描述移動載荷的位置、大小、方嚮和速度。例如，點載荷、分布載荷、隨時間變化的載荷等。 載荷移動的動力學特性： 區彆靜態加載與動態加載。分析載荷速度、加速度對結構動力學響應的影響。例如，隨著速度的增加，響應的頻率成分會發生變化，可能齣現共振現象。 載荷與結構的耦閤： 討論載荷與其所作用的結構之間的相互作用。在某些情況下，載荷的移動可能會受到結構的變形反作用力影響，反之亦然。這種情況需要采用耦閤分析方法。 時域與頻域分析： 介紹如何將移動載荷的時域特性轉換為頻域特性。這對於理解結構的固有頻率與載荷激勵頻率之間的關係至關重要。例如，傅裏葉變換在載荷激勵分析中的應用。 移動載荷的特殊類型： 探討一些特殊但常見的移動載荷類型，例如： 點載荷的移動： 例如，火車車輪在軌道上的作用。 分布式載荷的移動： 例如，車輛在橋梁上的整體重量分布。 振動源的移動： 例如，移動的振動平颱。 慣性力效應： 載荷自身的質量及其運動産生的慣性力，對結構産生的額外激勵。 第三章：移動載荷下結構的動力學響應分析 理解瞭載荷的建模，本章將重點關注在這些動態激勵下，結構會産生怎樣的響應。 解析解法： 對於一些簡化的結構模型（例如無限長梁、簡支梁）和簡單的移動載荷，可以嘗試推導解析解。雖然其應用範圍有限，但對於理解基本原理和驗證數值方法至關重要。 數值解法： 有限元法（FEM）： 這是目前最主流的數值分析方法。本章將深入探討如何在FEM框架下處理移動載荷。這通常涉及到時間相關的網格變形（或載荷在固定網格上的插值）、以及如何建立和求解時間相關的動力學方程（例如 [M]{ü(t)} + [C]{u̇(t)} + [K]{u(t)} = {f(t)} ）。 其他數值方法： 簡要介紹有限差分法（FDM）、邊界元法（BEM）等在處理移動載荷問題中的應用。 模態分析在移動載荷問題中的應用： 即使結構本身是非綫性的，通過模態分解，可以將復雜的動力學問題轉化為一係列耦閤或獨立的振動方程，從而簡化求解。探討如何利用結構的模態信息來分析移動載荷引起的響應。 響應特徵分析： 振幅與頻率： 分析響應的振幅隨時間、載荷速度、結構參數的變化。識彆是否存在共振現象，並探討其發生的條件。 應力與應變： 計算在移動載荷作用下的動態應力與應變分布，評估結構的承載能力和疲勞風險。 位移與速度： 分析結構錶麵的位移和速度響應，這對於舒適性分析和結構健康監測至關重要。 能量傳播： 探討能量如何隨著移動載荷在結構中傳播，以及不同結構部件對能量傳播的影響。 第四章：共振、阻尼與非綫性效應 移動載荷問題中的共振現象是工程實踐中必須高度關注的。本章將深入探討與此相關的因素。 共振的産生機理： 詳細解釋當載荷移動速度與結構的某個模態振動速度匹配時，産生的共振現象。引入“相乾性”的概念，描述載荷移動與結構響應之間的同步性。 臨界速度的確定： 介紹如何計算結構的臨界速度，即可能引發共振的速度。分析結構幾何形狀、材料性質、支撐條件等因素對臨界速度的影響。 阻尼的作用與建模： 討論阻尼（包括材料阻尼、結構阻尼、空氣阻尼等）在抑製振動、降低共振幅度中的關鍵作用。介紹不同阻尼模型的建立（例如 Rayleigh 阻尼、綫性粘性阻尼）及其在數值計算中的應用。 非綫性效應： 材料非綫性： 當應力超過彈性極限時，材料會錶現齣非綫性行為，這會顯著改變結構的響應。 幾何非綫性： 大變形會導緻結構的剛度發生變化，産生幾何非綫性。 接觸非綫性： 例如，輪軌之間的接觸，在分析中可能需要考慮非綫性的接觸力學。 非綫性係統下的移動載荷響應： 討論如何處理和分析非綫性係統在移動載荷作用下的響應，例如利用分步法、多尺度法等。 第五章：工程應用與案例分析 本章將把理論知識應用於實際工程問題，展示移動載荷振動分析的廣泛性和實用性。 交通工程： 橋梁工程： 分析車輛、火車在橋梁上的動態響應，預測疲勞壽命，優化橋梁設計。考慮輪載荷譜、軌道不平度等因素。 軌道交通： 研究高速列車與軌道耦閤振動，解決噪音、振動傳遞問題。 機場跑道： 分析飛機起降對跑道結構的動態影響，保障跑道安全。 機械工程： 鏇轉機械： 分析轉子不平衡、軸承故障等引起的移動載荷效應。 傳送帶係統： 載荷在傳送帶上的移動引起的振動分析。 起重機與工業設備： 移動起重機、搬運機器人等引起的動態載荷效應。 航空航天工程： 火箭發射平颱： 分析發射過程中由火箭發動機産生的衝擊波和氣動載荷的移動效應。 飛行器結構： 分析飛行器在不同載荷（如燃油、武器）移動過程中的動態響應。 其他領域： 生物力學： 例如，分析人體在跑步、跳躍時産生的地麵反作用力對骨骼和關節的動態影響。 土木工程： 例如，分析地下工程中挖掘設備移動引起的地麵振動。 第六章：控製與減振策略 在理解瞭移動載荷引起的振動問題後，本章將探討有效的控製與減振策略。 被動控製： 阻尼器的應用： 粘滯阻尼器、摩擦阻尼器、彈簧阻尼器等在結構中的應用，以耗散振動能量。 隔振支座： 在結構與地麵或承載結構之間設置隔振材料，以減少振動傳遞。 結構參數優化： 通過改變結構的剛度、質量分布等參數，調整其固有頻率，避免與載荷激勵頻率發生共振。 主動控製： 主動阻尼係統： 利用傳感器、控製器和執行器，實時監測結構響應，並施加反嚮激勵來抵消振動。 反饋控製與前饋控製： 介紹不同控製策略在主動減振中的應用。 半主動控製： 結閤被動與主動控製的優點，例如，具有可調阻尼的阻尼器。 減振設計原則： 總結在設計階段就考慮移動載荷因素的原則，例如，優化路徑規劃、載荷分配等。 結論：未來發展方嚮與展望 本書將以對該領域未來發展方嚮的展望作為結束。這可能包括： 多物理場耦閤效應： 考慮移動載荷與熱、流體、電磁等其他物理場的耦閤作用。 智能材料與結構： 探索利用智能材料（如壓電材料、形狀記憶閤金）進行主動減振的可能性。 機器學習與人工智能在振動分析中的應用： 利用大數據和先進的算法進行更精準的預測和更有效的控製。 高性能計算與數值模擬： 發展更高效、更精確的數值方法，以應對日益復雜的工程問題。 實驗驗證與模型修正： 強調理論與實驗的結閤，以及模型修正的重要性。 通過對以上章節的係統性闡述，本書力求為讀者構建一個完整、深入且具有指導意義的移動載荷下結構振動分析知識體係。我們希望本書不僅能為研究人員提供理論支持，也能為工程師們在實際工程問題中提供有效的解決方案。

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