適讀人群 :具備微積分、線性代數(shù)基本知識且有一定工程力學(xué)基礎(chǔ)的高等院校本科生或研究生,以及科研機(jī)構(gòu)工作者與工程技術(shù)人員 1.工程振動(dòng)領(lǐng)域的經(jīng)典著作由“現(xiàn)代工程力學(xué)之父”鐵摩辛柯編寫,被譯成俄語、德語、法語、日語及漢語等36種語言,本書為原書第五版的中譯本。
2.填補(bǔ)抽象的數(shù)學(xué)、力學(xué)理論與工程實(shí)踐的鴻溝,著眼于工科教育及教材建設(shè)中的“短板”“痛點(diǎn)”,契合國家“強(qiáng)基”人才培養(yǎng),提供在工程實(shí)際應(yīng)用中被證明有效的數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)求解程序,應(yīng)用所學(xué)的數(shù)學(xué)和力學(xué)理論解決工程實(shí)踐中的技術(shù)難題。
3.理論深度和應(yīng)用廣度兼?zhèn)洌跈C(jī)械、土木、航空航天、交通、能源等眾多工程領(lǐng)域,研究振動(dòng)的基礎(chǔ)理論,分析工程裝備系統(tǒng)的振動(dòng)特性,對于減振降噪、提升工程裝備質(zhì)量、提高裝備可靠性具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
本書是原著的第五版,它不僅保留了鐵摩辛柯經(jīng)典著作中的實(shí)用內(nèi)容,還引入了便于計(jì)算機(jī)求解的與現(xiàn)代振動(dòng)技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。以此為基礎(chǔ),像早期版本一樣,第五版按照單自由度、兩自由度、多自由度和無窮多自由度系統(tǒng)的順序,對相關(guān)振動(dòng)問題展開討論,并且增加了非線性系統(tǒng)的相關(guān)章節(jié),將更多在工程實(shí)際中被證明有效的數(shù)值計(jì)算方法囊括其中。此外,本書還在末尾用一章的篇幅介紹了離散化連續(xù)體的有限單元法。在上述理論方法的討論過程中,凡是涉及可用矩陣和數(shù)值方法求解的問題,我們均強(qiáng)調(diào)使用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序求解,這些程序采用FORTRAN語言編寫,程序及程序流程圖可參見附錄B和附錄C。
本書專門為工程專業(yè)本科四年級或研究生一年級學(xué)生編寫。因此,學(xué)生應(yīng)對包括微分方程在內(nèi)的微積分的相關(guān)內(nèi)容較為熟悉,并已完成靜力學(xué)、基本動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)這些先修課程。與此同時(shí),他們?nèi)缒苷莆找恍┙Y(jié)構(gòu)分析和彈性理論的相關(guān)知識,將會(huì)對本書的學(xué)習(xí)有所幫助,當(dāng)然這些知識并非學(xué)習(xí)振動(dòng)理論所必需。另外,我們還假設(shè)學(xué)生掌握了一些矩陣代數(shù)和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的知識,或已經(jīng)準(zhǔn)備好在本書學(xué)習(xí)過程中兼顧這些知識的學(xué)習(xí)。有了上述基礎(chǔ)知識的儲備,無論讀者是學(xué)生還是工程師,都能較容易地理解書中的內(nèi)容。本書按照由簡到繁的順序,引導(dǎo)讀者學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。
在第1章分析單自由度線性系統(tǒng)振動(dòng)問題時(shí),章內(nèi)各節(jié)分別討論了無阻尼和有阻尼解析模型的自由和受迫振動(dòng)。而系統(tǒng)對初始條件、任意擾動(dòng)函數(shù)及支承運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)計(jì)算結(jié)果將在后續(xù)章節(jié)的多自由度系統(tǒng)分析中得到運(yùn)用。該章最后一節(jié)“響應(yīng)的逐步計(jì)算法”在較早版本基礎(chǔ)上重新改寫了內(nèi)容,只保留了求解分段線性擾動(dòng)函數(shù)問題的最優(yōu)步驟。
在第2章非線性系統(tǒng)的討論中,本書刪減了第四版中一些關(guān)于近似計(jì)算方法的陳舊內(nèi)容,對數(shù)值求解方法的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修訂和擴(kuò)展,以納入更多最新的研究成果。
第3章介紹了矩陣形式的載荷運(yùn)動(dòng)方程(包括剛度系數(shù))和位移運(yùn)動(dòng)方程(包括柔度系數(shù)),為下一章多自由度系統(tǒng)理論方法的推導(dǎo)奠定了基礎(chǔ)。此外,還全面討論了慣性耦合與重力耦合,以及彈性耦合與黏性阻尼影響的相關(guān)問題。
第4章將矩陣運(yùn)動(dòng)方程從兩自由度系統(tǒng)推廣至含n個(gè)自由度的系統(tǒng),提出了動(dòng)力學(xué)分析的正則模態(tài)法,并將其用于各類振動(dòng)問題的分析。所分析的問題包括系統(tǒng)對初始條件、作用載荷及支承運(yùn)動(dòng)正則模態(tài)響應(yīng)的求解,而求解所得的正則模態(tài)包含剛體模態(tài)和振動(dòng)模態(tài)。緊接著,本書詳細(xì)介紹了系統(tǒng)固有頻率和振型的迭代求解法,其中重點(diǎn)討論了模態(tài)截?cái)鄦栴},還分析了有阻尼條件下多自由度系統(tǒng)的若干問題。從中我們發(fā)現(xiàn),將阻尼表示成模態(tài)阻尼的形式,處理起來最為簡單。本章最后一節(jié)利用逐步計(jì)算法,求解多自由度有阻尼系統(tǒng)在分段線性擾動(dòng)函數(shù)作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。
第5章介紹了含無窮多自由度連續(xù)體的振動(dòng)問題。由于連續(xù)體自身所具有的經(jīng)典特性,使得這一部分的修訂比例在全書中最小。
第6章為本書新增內(nèi)容,介紹離散化連續(xù)體的有限單元法。該方法對求解具有任意形狀和邊界條件的固體及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題尤為適用。
書的最后給出了附錄、參考書目和習(xí)題答案習(xí)題答案在上?茖W(xué)技術(shù)出版社網(wǎng)站(www.sstp.cn)“課件/配套資源”欄目給出,歡迎讀者瀏覽、下載。——編者注。其中,附錄A介紹了兩種常用的單位制(國際單位和美制單位),并列出了振動(dòng)分析時(shí)所需的材料特性參數(shù);附錄B介紹了利用矩陣?yán)碚摵蛿?shù)值方法求解振動(dòng)問題的計(jì)算機(jī)程序;附錄C中,面向FORTRAN語言程序流程圖清晰而完整地展示了這些程序的邏輯步驟。
我要感謝Paul R. Johnston為本書編寫了計(jì)算機(jī)程序。同樣,我還要感謝Abdul R. Touqan編寫并提供了習(xí)題和答案。Patrick A. Krokel在本書部分修訂內(nèi)容的輸入工作中做出了重要貢獻(xiàn)。最后,我要表達(dá)對Concetta的愛與感激,是她的理解與支持支撐著我充滿熱情地完成了本書的撰寫工作。
W. Weaver, Jr.斯坦福,加利福尼亞1989年11月
斯蒂芬??普羅科菲耶維奇??鐵摩辛柯,斯坦福大學(xué)教授,現(xiàn)代工程力學(xué)之父。其在工程力學(xué)領(lǐng)域耕耘約60年,一直致力于應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)理論解決工程實(shí)踐中的技術(shù)難題,曾編寫20余種力學(xué)著作和教材,并被工程師廣泛參考,推動(dòng)了全世界工程力學(xué)的發(fā)展。1957年美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)以鐵摩辛柯的名字創(chuàng)辦了一項(xiàng)獎(jiǎng)?wù)隆拌F摩辛柯獎(jiǎng)?wù)隆,鐵摩辛柯為首位獲獎(jiǎng)?wù),以表彰他在工程領(lǐng)域享譽(yù)世界的影響力。
威廉??韋弗,斯坦福大學(xué)教授,結(jié)構(gòu)分析工程師,應(yīng)用先進(jìn)方法分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的先驅(qū)之一。
多諾萬??哈羅德??楊,斯坦福大學(xué)教授,因其在應(yīng)用力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的工作而聞名于世。
第1章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問題1
1.1單自由度系統(tǒng)示例1
1.2無阻尼平移自由振動(dòng)2
1.3旋轉(zhuǎn)振動(dòng)10
1.4能量法15
1.5Rayleigh法20
1.6受迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)32
1.7受迫振動(dòng)的瞬態(tài)響應(yīng)39
1.8含黏性阻尼的自由振動(dòng)42
1.9含黏性阻尼的受迫振動(dòng)48
1.10等效黏性阻尼54
1.11一般周期擾動(dòng)函數(shù)59
1.12任意擾動(dòng)函數(shù)65
1.13任意支承運(yùn)動(dòng)72
1.14響應(yīng)譜77
1.15響應(yīng)的逐步計(jì)算法83
參考文獻(xiàn)89
第2章非線性系統(tǒng)的振動(dòng)問題90
2.1非線性系統(tǒng)示例90
2.2求解速度和周期的直接積分法99
2.3自由振動(dòng)的近似求解方法106
2.4非線性系統(tǒng)的受迫振動(dòng)112
2.5分段線性系統(tǒng)118
2.6非線性系統(tǒng)的數(shù)值解131
參考文獻(xiàn)144
第3章兩自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問題146
3.1兩自由度系統(tǒng)示例146
3.2載荷方程及其剛度系數(shù)150
3.3位移方程及其柔度系數(shù)153
3.4慣性耦合與重力耦合160
3.5無阻尼自由振動(dòng)166
3.6無阻尼受迫振動(dòng)174
3.7含黏性阻尼的自由振動(dòng)181
3.8含黏性阻尼的受迫振動(dòng)185
參考文獻(xiàn)186
第4章多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問題187
4.1引言187
4.2無阻尼系統(tǒng)的固有頻率和振型187
4.3主坐標(biāo)和正則坐標(biāo)199
4.4初始條件引起的正則模態(tài)響應(yīng)204
4.5載荷作用引起的正則模態(tài)響應(yīng)209
4.6支承運(yùn)動(dòng)引起的正則模態(tài)響應(yīng)215
4.7固有頻率和振型的迭代求解法222
4.8多自由度系統(tǒng)中的阻尼233
4.9周期擾動(dòng)函數(shù)引起的有阻尼響應(yīng)235
4.10有阻尼系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)239
4.11響應(yīng)的逐步計(jì)算法242
參考文獻(xiàn)246
第5章無窮多自由度連續(xù)體的振動(dòng)問題247
5.1引言247
5.2等截面桿的縱向自由振動(dòng)247
5.3等截面桿的縱向受迫振動(dòng)254
5.4等截面桿的正則模態(tài)法259
5.5端點(diǎn)含質(zhì)量或彈簧的等截面桿振動(dòng)264
5.6支承縱向運(yùn)動(dòng)引起的桿振動(dòng)270
5.7圓軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)274
5.8張緊絲的橫向振動(dòng)280
5.9等截面梁的橫向振動(dòng)285
5.10簡支梁的橫向振動(dòng)289
5.11其他端點(diǎn)條件下梁的振動(dòng)291
5.12轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與剪切變形的影響296
5.13簡支梁的受迫振動(dòng)響應(yīng)299
5.14其他端點(diǎn)條件下梁的受迫振動(dòng)響應(yīng)303
5.15支承運(yùn)動(dòng)引起的梁振動(dòng)305
5.16受移動(dòng)載荷作用的梁振動(dòng)308
5.17軸向力對梁振動(dòng)的影響312
5.18含彈性支承或彈性基礎(chǔ)的梁314
5.19Ritz法求解固有頻率317
5.20變截面梁的振動(dòng)問題321
5.21梁的彎扭耦合振動(dòng)326
5.22圓環(huán)的振動(dòng)329
5.23薄膜的橫向振動(dòng)333
5.24板的橫向振動(dòng)341
參考文獻(xiàn)349
第6章離散化連續(xù)體的有限單元法350
6.1引言350
6.2連續(xù)體的應(yīng)力應(yīng)變351
6.3有限單元體的運(yùn)動(dòng)方程354
6.4一維單元體356
6.5有限單元法求解梁的振動(dòng)問題368
參考文獻(xiàn)377
附錄378
附錄A單位制和材料特性378
附錄B計(jì)算機(jī)程序380
附錄C程序流程圖387
參考書目402