题目：完成一个综合作业(What I hear, I forgot. What I see, I remember. What I do, I understand.)
作业:如图所示的两自由振动系统,已知m1=100kg，m2=5kg，k1=10000N/m，
k2=500N/m，c2=1N·m-1·s，F1(t)=F1e1． 物理坐标下的振动微分方程；
jωt
。求：
2． 频响函数矩阵；
3． 频响函数的模态展式矩阵； 4． 脉冲相应函数；
5． 画出H11（ω）的幅频特性曲线，相频特性曲线，实频特性曲线，虚频特性曲线，Nyquist图，Bode图； 6． 固有频率，阻尼固有频率； 7． 画出振型图；
8． 模态坐标系下的振动微分方程；
9． 模态参数：复模态质量，复模态刚度，复模态阻尼。
解：
1．振动微分方程
对质量m1、m2绘分离体图（如图1-1），用牛二定律列分离体在铅垂方向的力平衡方程得
????
F1?c2(x2?x1)?k2(x2?x1)?k1x1?m1x1???? （1.1）
?c2(x2?x1)?k2(x2?x1)?m2x2将（1.1）整理可得：
?m1??0????0?x1c????2??m2???????c2?x2?????c2?x1k?k2????1??c2??????k2?x2??k2??x1??F1???????（1.2） k2??x2??0? 且m1=100、m2=5、k1=10000、k2=500、c2=1，代入（1.2）得：
?100??0????0?x11??????5???????1?x2?????1?x110500??????1??????500?x2??500??x1??F1??????? （1.3） 500??x2??0????可以得出此二自由度系统振动微分方程为：Mx?Cx?Kx?f(t)
?100其中M???00??1?；C??5???1?1??10500?；K??1???500?500??F1??；f(x)??? 图1-1、系统的分离体图 500??0?
2．频响函数矩阵
由书P25（1.4-58）公式可知，此二自由度系统频响函数矩阵为一2×2方阵，其表达式为：
H(?)?(K??M?j?C)2?1，其中M???100?0?1C?；??5??0??1?1??1?；K????500?10500?500?? 500?（2.1） 写成矩阵形式：
1
?H11(?)H(?)???H21(?)H12(?)??10500?100?2?j????H22(?)???500?j??500?j???2500?5??j???1 （2.2）
3．频响函数的模态展式矩阵
1）求解瑞利阻尼矩阵
由于粘性阻尼矩阵C无法进行正交性对角化，故不能直接应用坐标变换将（1.3）解耦。由于在该题中，粘性阻尼相对很小，对于小阻尼振动系统，可以利用瑞利比例阻尼来代替粘性阻尼，以获得可对角化的阻尼矩阵。
（1）瑞利比例阻尼系数的确定
瑞利比例阻尼：C??M??K，其中M??阻尼系数
瑞利比例阻尼系数存在以下关系：
?100?00??10500；K???5???500?500??；?、? 为瑞利比例500???1?????1?2?2?1，其中?i为圆频率?i?2?fi（fi为系统固有频率，书中表示为?0i）；?i为阻尼??????2??2?2?2?2比?i??i?0i
?1?2?1将上式写为矩阵形式：??1??2?22??????1??????? ?2??????2??2??1??1?2????1可得：????????1??2?22???2??2??1??1??1???，其中??2??i?2?fi、?i??i?0i （3.1）
由此可知，只要我们确定了一个系统任意两阶的固有频率及其阻尼比，就可以确定出瑞利比例阻尼系数，从而得到瑞利比例阻尼矩阵。
（2）求该二阶系统的一、二阶固有频率及其阻尼比
利用求解该系统振动微分方程
???Mx?Cx?Kx?f(t)的特征值?i来确定固有频率及其阻尼比。由书P23（1.4-43）-（1.4-46）公式为求
解步骤，下面利用Matlab来计算固有频率?0i和阻尼比?i：
2
编写Matlab程序polynomial.m求特征方程，程序如下：
syms x;
m1=100; m2=5; k1=10000; k2=500; c2=1; M=[m1 0;
0 m2];
C=[c2 -c2;
-c2 c2];
K=[k1+k2 -k2; -k2 k2];
y=det(M*x^2+C*x+K)
解以上求得的多项式：
>> p=[500 105 102500 10000
5000000];
>> x0=roots(p)
由特征值可得：?01??1?
0.0356?8.9452?8.9453、?1?22?1?01?0.03568.9453?0.0040
?02??2??2??2?02?0.0694?11.1789?11.1791、
0.069411.1791?0.0062
22 （3）求瑞利比例阻尼系数及瑞利比例阻尼矩阵 根据公式（3.1）编写Matlab程序rayleigh.m求解特征方程，程序如下：
function Cr=rayleigh() %--计算瑞利阻尼系数alpha和
beta--
xi1=0.0040; xi2=0.0062;
f1=8.9453; f2=11.1791;
omega1=2*pi*f1; omega2=2*pi*f2;
A=[1/(2*omega1) omega1/2;
1/(2*omega2) omega2/2]; xi=[xi1;
xi2];
x=inv(A)*xi; alpha=x(1,1)
3
beta=x(2,1)
%--计算瑞利阻尼矩阵Cr(2*2)-- m1=100; m2=5; k1=10000; k2=500; M=[m1 0;
0 m2];
K=[k1+k2 -k2;
-k2 k2];
Cr=alpha*M+beta*K;
可知：瑞利比例阻尼系数??-0.3004、?=2.3741?10?4
?-27.5422?-0.1187-0.1187??
-1.3830? 瑞利比例阻尼矩阵C??2）求解模态矩阵（及特征矢量矩阵）
书P23已说明根据粘性比例阻尼振动系统的微分方程所求得的特征矢量与该系统无阻尼振动下求得的特征矢量相等。因此，我们可以利用求此二阶系统在无阻尼振动下的微分方程的特征矢量更简单的得出模态矩阵
改写Matlab程序polynomial.m求解此二阶系统在无阻尼振动下的微分方程的特征方程，程序如下：
syms x;
m1=100; m2=5; k1=10000; k2=500; M=[m1 0;
0 m2];
K=[k1+k2 -k2;
-k2 k2];
y=det(K-x^2*M) 解以上求得的多项式：
>> p=[500 -102500 5000000]; >> x0=roots(p)
222可知：?01?80、?02?125。将其分别代入回(K??M)??0，可得：
?2500???500?500???11???2000??0 、???100???21???500?500???12???0 （3.2） ???125???22?4
求得模态矩阵????1?2?????11??21?1????22??5?12?1?? ?4?3）求解频响函数的模态展式矩阵
（1）求模态质量矩阵、模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵
?1Tdiag[mi]??M????1?1Tdiag[ki]??K????1?1Tdiag[ci]??C????15??-27.5422???4??-0.11875??100???4??00??1??5??51??225????4??00?? 180??? 22500????48.7206?05??10500???4???500-0.1187??1??-1.3830??5?500??1??500??51??18000????4??001???63.3042????4???0.0009?0.0009???63.3042????48.7206??0
（2）由此可得频响函数的模态展式为：
2H(?)??i?1?i?i2Tki??mi?j?ci （3.3）
写成矩阵形式为：
22??11?12??22k1??m1?j?c1k2??m2?j?c2H12(?)????H22(?)???21?11?22?12??22?k1??m1?j?c1k2??m2?j?c2?H11(?)H(?)???H21(?)??22k1??m1?j?c1k2??m2?j?c2?22??21?22??22k1??m1?j?c1k2??m2?j?c2??21?11??22?12
将所求?、diag[mi]、diag[ki]、diag[ci]代入：
?H11(?)H(?)???H21(?)H12(?)??12?1?(18000?225??j63.3042?)???H22(?)??55??12?1?(22500?180??j48.7206?)???25???4?4??16?
4．脉冲响应函数
对（3.3）作傅立叶逆变换，得到脉冲响应函数矩阵：
2h(t)??i?1?i?iTmi?die??itsin?dit （4.1）
5．H11(?)的幅频、相频、实频、虚频特性曲线以及导纳图和博德图 1）H11(?)的幅频特性曲线：H11(?)与?的关系
H11(?)?1k1(1??)?4??2122121?1k2(1??)?4??2222222，其中????01，?i为阻尼比。代入可得：
5
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