background image

Politechnika Śląska 

Wydział Mechaniczny-Technologiczny 

Mechanika i Budowa Maszyn 

Rok akademicki 2013/2014 

 

 

 

 

 

 

 

DRGANIA W UKŁADACH FIZYCZNYCH 

 

Sprawozdanie z tematu: 

Analiza układu o wielu stopniach swobody 

 

 

 

 

 

 

 

 

Opracowali: 

1.  Robert Drewniok 

2.  Paweł Imiołczyk 

3.  Andrzej Jałowiecki 

4.  Michał Sierżant 

5.  Jakub Szafrański 

6.  Łukasz Zub

background image

Strona 2 z 10 

 

Spis treści 

1. 

Wstęp teoretyczny .......................................................................................................................... 3 

2. 

Obliczenia ........................................................................................................................................ 5 

3. 

Symulacja układu ............................................................................................................................. 8 

4. 

Wnioski końcowe .......................................................................................................................... 10 

 

background image

Strona 3 z 10 

 

1. Wstęp teoretyczny 

 

Układ o skończonej liczbie stopni swobody przedstawiany jest, jako zbiór punktów materialnych 

połączonych  bez  masowymi  sprężynami  i  tłumikami.  Rozważane  układy  liniowe  w  praktyce 
inżynierskiej  to  najczęściej  takie,  w  których  siły  sprężyste  i  tłumienia  są  liniowymi  funkcjami 
przemieszczeń i prędkości punktów materialnych. Są to układy holonomiczne, a liczba stopni swobody 
równa się liczbie współrzędnych uogólnionych. Współrzędne uogólnione są przesunięciami lub kątami 
obrotu mas. 

Analiza częstości własnych 

Równanie  ruchu  drgań  własnych  otrzymuje  się  z  równania  ruchu  po  pominięciu  członu 

zawierającego macierz tłumienia oraz wektor obciążeń zewnętrznych. Wówczas otrzymuje się: 

[𝑀] ∙ [𝐴] + [𝐶] ∙ [𝑋] = 0   (1.1) 

gdzie: 

[M] – macierz mas układu 

[A] – macierz przyśpieszeń 

[C] – macierz sztywności 

[X] – macierz przemieszczeń 

0 – macierz zerowa 

Rozwiązanie dla zadanego zagadnienia początkowego polega na podaniu warunków, dla których 

jest  możliwy  ruch  rozpatrywanego  układu.  Przez  analogię  z  układem  o  jednym  stopniu  swobody 
założymy, że drgania własne są ruchem harmonicznym i rozwiązania poszukujemy w postaci funkcji 
harmonicznych o częstościowości ω i fazie początkowej ϕ. 

𝑥(𝑡) = 𝑞⃗𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝜑) 

(1.2) 

 

gdzie: 𝑞⃗ – jest wektorem amplitud drgań własnych. 

 

Po podstawieniu wyrażenia (1.2) i jego drugiej pochodnej do równania (1.1) otrzymujemy: 

(−𝜔

2

∙ [𝑀] + [𝐶]) ∙ 𝑞⃗ ∙ sin(𝜔𝑡 + 𝜑) = 0 

 

Jest to układ liniowych jednorodnych równań algebraicznych, który ma rozwiązania niezerowe tylko 
wówczas, gdy: 

det([𝐶] − 𝜔

2

[𝑀]) = 0 

 

 

background image

Strona 4 z 10 

 

Po  rozwinięciu  tego  wyznacznika  otrzymuje  się  wielomian  n-tego  stopnia  względem  ω

2

  (dla  układu 

mającego n dynamicznych stopni swobody). Równanie to nazywa się równaniem charakterystycznym 
zagadnienia  własnego  lub  równaniem  częstości.  Pierwiastki  tego  równania  są  częstościami  drgań 
własnych elementów układu. 

background image

Strona 5 z 10 

 

2. Obliczenia 

 

DANE: 

m

1

= 1kg 

m

2

= 2kg 

m

3

= 3kg 

C

1

= 10N*m 

C

2

= 20N*m 

C

3

= 30N*m 

 

Rys 1. Analizowany układ 

 

 

𝐸

𝑘

=

1
2

∙ 𝑚

1

∙ 𝑥

1

2

̈ +

1
2

∙ 𝑚

2

∙ 𝑥

2

2

̈ +

1
2

∙ 𝑚

3

∙ 𝑥

3

2

̈  

 

𝐸

𝑝

=

1
2

∙ 𝐶

1

∙ 𝑥

1

2

+

1
2

∙ 𝐶

2

∙ (𝑥

1

− 𝑥

2

)

2

+

1
2

∙ 𝐶

3

∙ (𝑥

2

− 𝑥

3

)

2

 

 

Równania Lagrange’a II stopnia: 

𝑚

1

∙ 𝑥

1

+

̈

𝐶

1

∙ 𝑥

1

+ 𝐶

2

∙ (𝑥

1

− 𝑥

2

) = 0 

𝑚

2

∙ 𝑥

2

̈

𝐶

2

∙ (𝑥

1

− 𝑥

2

) + 𝐶

3

∙ (𝑥

2

− 𝑥

3

) = 0 

𝑚

3

∙ 𝑥

3

̈

𝐶

3

∙ (𝑥

2

− 𝑥

3

) = 0 

 

W zapisie macierzowym: 

[

𝑚

1

0

0

0

𝑚

2

0

0

0

𝑚

3

] ∙ [

𝑥

1

̈

𝑥̈

2

𝑥̈

3

] + [

(𝐶

1

+ 𝐶

2

)

−𝐶

2

0

−𝐶

2

(𝐶

2

+ 𝐶

3

) −𝐶

3

0

−𝐶

3

𝐶

3

] ∙ [

𝑥

1

𝑥

2

𝑥

3

] = [

0
0
0

 

m

1

 

m

2

 

m

3

 

C

1

 

C

2

 

C

3

 

background image

Strona 6 z 10 

 

 

Lub w skrócie: 

[𝑀] ∙ [𝐴] + [𝐶] ∙ [𝑋] = 0 

Po podstawieniu wartości otrzymujemy: 

[

1 0 0
0 2 0
0 0 3

] ∙ [

𝑥

1

̈

𝑥̈

2

𝑥̈

3

] + [

30

−20

0

−20

50

−30

0

−30

30

] ∙ [

𝑥

1

𝑥

2

𝑥

3

] = [

0
0
0

Następie tworzymy macierz dynamiczną H: 

[𝐻] = [𝑀]

−1

∙ [𝐶] 

Po podstawieniu 

 

[𝐻] = [

30

−20

0

−10

25

−15

0

−10

10

 

Następnie tworzymy wyznacznik i przyrównujemy go do 0 

 

𝑑𝑒𝑡 = [

11

∙ 𝜔

2

12

13

21

22

∙ 𝜔

2

23

31

32

33

∙ 𝜔

2

] = 0 

Po wstawieniu wartości otrzymujemy: 

 

𝑑𝑒𝑡 = [

30 ∙ 𝜔

2

−20

0

−10

25 ∙ 𝜔

2

−15

0

−10

10 ∙ 𝜔

2

] = 0 

 

Po rozpisaniu wyznacznika otrzymujemy: 

(30𝜔

2

∙ 25𝜔

2

∙ 10𝜔

2

) − (30𝜔

2

∙ −15 ∙ −10) − (−20 ∙ −10 ∙ 10𝜔

2

) = 0 

7500𝜔

6

− 6500𝜔

2

= 0 

𝜔

6

15
13

𝜔

2

= 0

 

 

 

background image

Strona 7 z 10 

 

 

Pierwiastki tego równania są szukanymi częstościami drgań własnych 

 

𝜔 = [

−1,036

0

1,036

Jak można zauważyć układ posiada tak naprawdę tylko jedną częstość drgań własnych  
równą 1,036 rad/s. 

background image

Strona 8 z 10 

 

3. Symulacja układu 

 

Mając obliczoną częstość drgań własnych układu zamodelowano układ tak ja na Rys 1. i wprowadzono 
wymuszenie o częstotliwości rezonansowej i otrzymano następujące wykresy przemieszczeń mas: 

 

 

Rys 2. Wykresy przemieszczeń mas. Od góry masa 1, masa 2, masa 3 

Jak widać dla wyliczonej częstości drgań własnych układ wpada w rezonans. Amplituda wychylenia dla 
każdej masy stopniowo wzrasta. Niezależnie od miejsca przyłożenia wymuszenia układ zachowuje się 
identycznie tj.: wszystkie masy drgają w tym samym kierunku (drgania współbieżne). 

background image

Strona 9 z 10 

 

Następnie w układzie zastąpiono sprężynę 3 modelem Kelwina-Fojta i ponownie poddano symulacji. 
Otrzymane wykresy zamieszczono poniżej: 

 

 

Rys 3. Wykresy przemieszczeń mas po wprowadzeniu tłumienia. Od góry masa 1, masa 2, masa 3. 

 

Jak  można  zauważyć  wprowadzenie  do  układu  elementu  tłumiącego  powoduje  ustabilizowanie  się 
drgań po pewnym czasie i nie wpadanie układu w rezonans. W tym przypadku zastosowano tłumienie 
wiskotyczne, lecz równie dobrze można by zastosować tłumienie tarciem suchym, które dało by ten 
sam efekt.

background image

Strona 10 z 10 

 

4. Wnioski końcowe 

 

Analiza  układów  o  wielu  stopniach  swobody  sprowadza  się  głównie  do  wyznaczenia  równania 
charakterystycznego  za  pomocą,  którego  jesteśmy  w  stanie  określić  częstości  drgań  własnych 
poszczególnych elementów masowych układu. Zagadnienie to staje się coraz bardziej złożone w raz ze 
wzrostem stopni swobody i bez stosowania metod numerycznych i komputerów do wspomagania się 
w obliczeniach jest to praktycznie nie wykonalne, aby przeprowadzić takową analizę. 

Podsumowując  przeprowadzone  rozważania  na  temat  układów  o  wielu  stopniach  swobody  można 
zauważyć,  że  w  przypadku  układu  o  trzech  stopniach  swobody  mamy  do  czynienie  tylko  z  jedną 
częstością  drgań  wlanych.  Ponadto  stosując  w  układzie  jakikolwiek  rodzaj  tłumienia  czy  to 
wiskotycznego czy suchego stabilizujemy drgania i nie dopuszczamy do sytuacji, w której układ wpada 
w niebezpieczny rezonans.