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裝備結構動力學分析 版權信息
- ISBN：9787030727268
- 條形碼：9787030727268 ; 978-7-03-072726-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
裝備結構動力學分析 內容簡介
本書主要針對裝備結構，將結構動力學的理論分析和數值模擬方法在設計、試驗過程中的應用研究進行較為系統性的闡述。全書內容分為上下兩篇，上篇主要是結構動力學的基本理論和分析方法，包括結構動力學的基本分析方法和以及多種數值模擬方法的理論及算例演示，并將動力學試驗與模型修正結合，展示了數值模擬與試驗的結合應用。下篇是多種復雜工程結構動力學數值模擬的專題，基于編者動力學分析方面多年的經驗和工作積累，展示了多種特殊的動力學分析方法的理論分析及數值模擬算例演示。
裝備結構動力學分析 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 什么是結構動力學問題 1
1.2 結構動力學分析方法概況 1
1.2.1 結構動力學分析的主要內容 2
1.2.2 結構動力學分析的研究方法 2
1.3 本書概述 4
參考文獻 5
第2章 結構動力學分析基本理論 6
2.1 單自由度系統的動力學響應 6
2.1.1 時域響應分析 6
2.1.2 頻域響應分析 8
2.2 多自由度系統的動力學響應 9
2.3 有限元法的基本理論 9
2.3.1 有限元法分析的基本思想 9
2.3.2 單元剛度矩陣 11
2.3.3 單元質量矩陣 13
2.3.4 邊界條件的處理 14
2.3.5 小結 14
2.4 基于有限元的動力學數值模擬基本方法 15
2.4.1 模態分析基本理論 15
2.4.2 阻尼矩陣 17
2.4.3 動力學響應數值模擬基本方法 18
參考文獻 19
第3章 復雜工程結構動力學建模方法 20
3.1 模型簡化 20
3.1.1 模型幾何處理 20
3.1.2 結構單元簡化 22
3.1.3 部件連接方式 24
3.2 網格劃分 31
3.2.1 網格收斂性 31
3.2.2 網格質量 34
3.3 連接結構建模 36
3.3.1 虛擬材料法 36
3.3.2 基于等效接觸區域的螺栓連接動力學建模方法 42
參考文獻 50
第4章 復雜工程結構動力學數值模擬的分析方法 51
4.1 模態分析 51
4.1.1 模態分析理論 51
4.1.2 模態分析方法 52
4.1.3 預應力模態分析 54
4.1.4 旋轉軟化 56
4.2 諧響應分析 59
4.2.1 諧響應分析理論 59
4.2.2 Ansys經典界面諧響應分析實例 60
4.2.3 Workbench平臺諧響應分析實例 64
4.3 瞬態分析 67
4.3.1 Ansys經典界面瞬態分析實例 67
4.3.2 Workbench平臺瞬態分析實例 69
4.4 隨機振動分析 71
4.4.1 隨機振動基本理論 71
4.4.2 隨機振動的有限元分析方法 73
4.4.3 隨機振動數值仿真算例演示 74
4.5 地震響應譜分析 80
4.5.1 響應譜分析理論 80
4.5.2 Ansys經典界面響應譜分析實例 82
4.5.3 Workbench平臺響應譜分析實例 84
4.6 多點基礎激勵動力學響應分析 86
4.6.1 多點基礎激勵問題概述 86
4.6.2 多點基礎隨機激勵數值模擬方法 88
參考文獻 92
第5章 動力學模型修正與參數識別 93
5.1 模型修正方法 94
5.1.1 待修正參數的選取 94
5.1.2 殘量或誤差量的構造 95
5.1.3 采用何種迭代或優化算法 96
5.2 算例演示 98
5.2.1 結構簡介 98
5.2.2 有限元建模及初步分析 98
5.2.3 有限元模型修正 100
參考文獻 106
第6章 動力學試驗方法 107
6.1 振動測試概述 107
6.1.1 振動信號的分類 107
6.1.2 數據采樣 108
6.1.3 隨機振動信號分析常用的統計特征參數 109
6.2 模態試驗 111
6.2.1 模態試驗分析的理論基礎 111
6.2.2 模態試驗分析的測試技術 114
6.2.3 模態試驗分析應用實例 116
參考文獻 120
第7章 多軸應力評估 121
7.1 隨機振動條件下的多軸應力評估 122
7.1.1 隨機振動下von Mises應力的概率分布 122
7.1.2 隨機振動下的應力校核方法 123
7.1.3 3σ方法的考察 126
7.2 靜力—隨機振動復合條件下的多軸應力評估 127
7.2.1 靜力—隨機振動復合條件下的von Mises應力 127
7.2.2 復合條件下的極限應力計算方法 129
7.2.3 工程近似方法及其考察 133
參考文獻 136
第8章 結構疲勞分析 138
8.1 疲勞的基本理論 138
8.1.1 疲勞的基本概念 138
8.1.2 S-N和ε-N曲線 139
8.1.3 疲勞的分類 140
8.2 疲勞的數值分析方法 142
8.2.1 恒幅循環應力下的疲勞 142
8.2.2 非恒幅循環應力下的疲勞 142
8.2.3 隨機疲勞 144
8.2.4 多軸疲勞分析 147
8.3 疲勞設計的新進展 149
8.3.1 疲勞設計方法的選擇 149
8.3.2 損傷容限設計 150
8.3.3 疲勞可靠性設計 150
參考文獻 151
第9章 部組件動力學環境試驗設計及數值模擬 153
9.1 部組件級試驗方法 153
9.2 部組件載荷等效分析 154
9.2.1 載荷等效方法理論分析 154
9.2.2 載荷等效方法數值模擬驗證 155
9.3 部組件響應等效分析 161
9.3.1 單點響應等效理論分析 161
9.3.2 多點響應等效理論分析 162
9.3.3 部組件響應等效數值模擬 164
參考文獻 172
第10章 旋轉結構動力學分析——以離心機為例 173
10.1 非軸對稱轉子動力學理論 174
10.1.1 轉子動力學理論 174
10.1.2 離心機轉子動力學模型 175
10.1.3 圓盤與轉臂轉子模型的差異 177
10.2 離心機主機動力學建模 178
10.2.1 主機有限元模型 178
10.2.2 軸承綜合支承剛度及邊界約束 179
10.3 離心機臨界轉速及穩定性數值模擬 181
10.3.1 離心機在不平衡力作用下的動力學穩定性 182
10.3.2 離心機動態試驗 183
參考文獻 184
第11章 自由狀態下結構的隨機振動響應分析 186
11.1 某彈頭殼體自由狀態隨機振動響應數值模擬演示 186
11.1.1 分析模型及脈動壓力載荷 186
11.1.2 數值模擬演示 187
11.2 某結構橫向隨機振動試驗中轉動現象的數值模擬分析 195
11.2.1 試驗結構模型 195
11.2.2 非對稱載荷分析 197
11.2.3 非對稱載荷識別方法 198
11.2.4 扭矩響應數值模擬 199
第12章 面向試驗的沖擊響應譜數值模擬方法 204
12.1 基本理論 205
12.2 沖擊響應譜的時域波形轉換 206
12.2.1 沖擊響應譜的計算方法 206
12.2.2 沖擊響應譜的時域波形轉換方法 206
12.2.3 沖擊響應譜的時域波形轉換實例 207
12.3 基于時域載荷識別的沖擊響應譜數值模擬 209
12.3.1 時域載荷識別方法 209
12.3.2 基于時域載荷識別的數值仿真算例演示 211
參考文獻 216
第13章 隨機振動條件下的螺栓強度校核 217
13.1 螺栓的性能等級 217
13.2 預緊載荷下的螺栓受力狀態理論分析 218
13.3 外載荷作用下螺栓的受力分析 219
13.4 靜態外載荷作用下螺栓的受力分析算例 220
13.5 隨機載荷作用下螺栓的強度校核算例 223
參考文獻 227
第14章 隨機振動下的結構相對位移分析 228
14.1 隨機振動下結構相對位移分析方法 228
14.2 諧波載荷作用下的結構相對位移分析方法 229
14.3 算例演示 229
14.3.1 分析模型 229
14.3.2 采用隨機振動分析的角位移仿真 231
14.3.3 采用諧波響應分析的角位移仿真 234
第15章 傾斜搖擺載荷下的結構動態響應分析方法 237
15.1 傾斜搖擺結構動態響應分析方法 238
15.1.1 運動學分析方法 239
15.1.2 動力學分析方法 239
15.1.3 剛柔耦合分析方法 239
15.2 典型結構仿真方法及對比 240
15.2.1 運動學分析仿真 240
15.2.2 動力學分析仿真 242
15.2.3 剛柔耦合分析仿真 244
15.2.4 計算結果對比分析 246
15.3 某岸橋結構傾斜搖擺算例仿真 249
第16章 隨機振動下鏡面轉角響應分析 251
16.1 反射鏡模型 251
16.2 地脈動載荷 252
16.3 仿真演示 252
展望 257
附錄A 258
附錄B 268
第1章 緒論 1
1.1 什么是結構動力學問題 1
1.2 結構動力學分析方法概況 1
1.2.1 結構動力學分析的主要內容 2
1.2.2 結構動力學分析的研究方法 2
1.3 本書概述 4
參考文獻 5
第2章 結構動力學分析基本理論 6
2.1 單自由度系統的動力學響應 6
2.1.1 時域響應分析 6
2.1.2 頻域響應分析 8
2.2 多自由度系統的動力學響應 9
2.3 有限元法的基本理論 9
2.3.1 有限元法分析的基本思想 9
2.3.2 單元剛度矩陣 11
2.3.3 單元質量矩陣 13
2.3.4 邊界條件的處理 14
2.3.5 小結 14
2.4 基于有限元的動力學數值模擬基本方法 15
2.4.1 模態分析基本理論 15
2.4.2 阻尼矩陣 17
2.4.3 動力學響應數值模擬基本方法 18
參考文獻 19
第3章 復雜工程結構動力學建模方法 20
3.1 模型簡化 20
3.1.1 模型幾何處理 20
3.1.2 結構單元簡化 22
3.1.3 部件連接方式 24
3.2 網格劃分 31
3.2.1 網格收斂性 31
3.2.2 網格質量 34
3.3 連接結構建模 36
3.3.1 虛擬材料法 36
3.3.2 基于等效接觸區域的螺栓連接動力學建模方法 42
參考文獻 50
第4章 復雜工程結構動力學數值模擬的分析方法 51
4.1 模態分析 51
4.1.1 模態分析理論 51
4.1.2 模態分析方法 52
4.1.3 預應力模態分析 54
4.1.4 旋轉軟化 56
4.2 諧響應分析 59
4.2.1 諧響應分析理論 59
4.2.2 Ansys經典界面諧響應分析實例 60
4.2.3 Workbench平臺諧響應分析實例 64
4.3 瞬態分析 67
4.3.1 Ansys經典界面瞬態分析實例 67
4.3.2 Workbench平臺瞬態分析實例 69
4.4 隨機振動分析 71
4.4.1 隨機振動基本理論 71
4.4.2 隨機振動的有限元分析方法 73
4.4.3 隨機振動數值仿真算例演示 74
4.5 地震響應譜分析 80
4.5.1 響應譜分析理論 80
4.5.2 Ansys經典界面響應譜分析實例 82
4.5.3 Workbench平臺響應譜分析實例 84
4.6 多點基礎激勵動力學響應分析 86
4.6.1 多點基礎激勵問題概述 86
4.6.2 多點基礎隨機激勵數值模擬方法 88
參考文獻 92
第5章 動力學模型修正與參數識別 93
5.1 模型修正方法 94
5.1.1 待修正參數的選取 94
5.1.2 殘量或誤差量的構造 95
5.1.3 采用何種迭代或優化算法 96
5.2 算例演示 98
5.2.1 結構簡介 98
5.2.2 有限元建模及初步分析 98
5.2.3 有限元模型修正 100
參考文獻 106
第6章 動力學試驗方法 107
6.1 振動測試概述 107
6.1.1 振動信號的分類 107
6.1.2 數據采樣 108
6.1.3 隨機振動信號分析常用的統計特征參數 109
6.2 模態試驗 111
6.2.1 模態試驗分析的理論基礎 111
6.2.2 模態試驗分析的測試技術 114
6.2.3 模態試驗分析應用實例 116
參考文獻 120
第7章 多軸應力評估 121
7.1 隨機振動條件下的多軸應力評估 122
7.1.1 隨機振動下von Mises應力的概率分布 122
7.1.2 隨機振動下的應力校核方法 123
7.1.3 3σ方法的考察 126
7.2 靜力—隨機振動復合條件下的多軸應力評估 127
7.2.1 靜力—隨機振動復合條件下的von Mises應力 127
7.2.2 復合條件下的極限應力計算方法 129
7.2.3 工程近似方法及其考察 133
參考文獻 136
第8章 結構疲勞分析 138
8.1 疲勞的基本理論 138
8.1.1 疲勞的基本概念 138
8.1.2 S-N和ε-N曲線 139
8.1.3 疲勞的分類 140
8.2 疲勞的數值分析方法 142
8.2.1 恒幅循環應力下的疲勞 142
8.2.2 非恒幅循環應力下的疲勞 142
8.2.3 隨機疲勞 144
8.2.4 多軸疲勞分析 147
8.3 疲勞設計的新進展 149
8.3.1 疲勞設計方法的選擇 149
8.3.2 損傷容限設計 150
8.3.3 疲勞可靠性設計 150
參考文獻 151
第9章 部組件動力學環境試驗設計及數值模擬 153
9.1 部組件級試驗方法 153
9.2 部組件載荷等效分析 154
9.2.1 載荷等效方法理論分析 154
9.2.2 載荷等效方法數值模擬驗證 155
9.3 部組件響應等效分析 161
9.3.1 單點響應等效理論分析 161
9.3.2 多點響應等效理論分析 162
9.3.3 部組件響應等效數值模擬 164
參考文獻 172
第10章 旋轉結構動力學分析——以離心機為例 173
10.1 非軸對稱轉子動力學理論 174
10.1.1 轉子動力學理論 174
10.1.2 離心機轉子動力學模型 175
10.1.3 圓盤與轉臂轉子模型的差異 177
10.2 離心機主機動力學建模 178
10.2.1 主機有限元模型 178
10.2.2 軸承綜合支承剛度及邊界約束 179
10.3 離心機臨界轉速及穩定性數值模擬 181
10.3.1 離心機在不平衡力作用下的動力學穩定性 182
10.3.2 離心機動態試驗 183
參考文獻 184
第11章 自由狀態下結構的隨機振動響應分析 186
11.1 某彈頭殼體自由狀態隨機振動響應數值模擬演示 186
11.1.1 分析模型及脈動壓力載荷 186
11.1.2 數值模擬演示 187
11.2 某結構橫向隨機振動試驗中轉動現象的數值模擬分析 195
11.2.1 試驗結構模型 195
11.2.2 非對稱載荷分析 197
11.2.3 非對稱載荷識別方法 198
11.2.4 扭矩響應數值模擬 199
第12章 面向試驗的沖擊響應譜數值模擬方法 204
12.1 基本理論 205
12.2 沖擊響應譜的時域波形轉換 206
12.2.1 沖擊響應譜的計算方法 206
12.2.2 沖擊響應譜的時域波形轉換方法 206
12.2.3 沖擊響應譜的時域波形轉換實例 207
12.3 基于時域載荷識別的沖擊響應譜數值模擬 209
12.3.1 時域載荷識別方法 209
12.3.2 基于時域載荷識別的數值仿真算例演示 211
參考文獻 216
第13章 隨機振動條件下的螺栓強度校核 217
13.1 螺栓的性能等級 217
13.2 預緊載荷下的螺栓受力狀態理論分析 218
13.3 外載荷作用下螺栓的受力分析 219
13.4 靜態外載荷作用下螺栓的受力分析算例 220
13.5 隨機載荷作用下螺栓的強度校核算例 223
參考文獻 227
第14章 隨機振動下的結構相對位移分析 228
14.1 隨機振動下結構相對位移分析方法 228
14.2 諧波載荷作用下的結構相對位移分析方法 229
14.3 算例演示 229
14.3.1 分析模型 229
14.3.2 采用隨機振動分析的角位移仿真 231
14.3.3 采用諧波響應分析的角位移仿真 234
第15章 傾斜搖擺載荷下的結構動態響應分析方法 237
15.1 傾斜搖擺結構動態響應分析方法 238
15.1.1 運動學分析方法 239
15.1.2 動力學分析方法 239
15.1.3 剛柔耦合分析方法 239
15.2 典型結構仿真方法及對比 240
15.2.1 運動學分析仿真 240
15.2.2 動力學分析仿真 242
15.2.3 剛柔耦合分析仿真 244
15.2.4 計算結果對比分析 246
15.3 某岸橋結構傾斜搖擺算例仿真 249
第16章 隨機振動下鏡面轉角響應分析 251
16.1 反射鏡模型 251
16.2 地脈動載荷 252
16.3 仿真演示 252
展望 257
附錄A 258
附錄B 268
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裝備結構動力學分析 節選
第1章 緒論 1.1 什么是結構動力學問題 服役環境下的裝備結構都處于承載環境中，從結構力學的角度來看，大體上結構所受到的載荷可分為靜力載荷和動力載荷兩類。靜力載荷的大小、方向及作用點等不隨時間變化，結構上也不產生加速度及慣性力，主要是考慮結構的剛度效應，如重力載荷就是*常見的靜力載荷。需要說明的是，靜與動本身也是相對的概念，當載荷從零開始到*大值出現時刻所經歷時間遠遠大于結構的自振周期時，說明加載過程是非常緩慢的，此時往往可以作為靜力載荷考慮[1]。 動力載荷則與時間歷程變化密切相關，結構質量引起的慣性力不可忽略。廣義上來講動力載荷包括沖擊載荷和振動載荷，沖擊載荷的特點可以用“短暫而強烈”來描述，“短暫”說明加載時間非常短，實際工程結構受到的沖擊載荷往往在微秒到毫秒量級，“強烈”則說明載荷的幅值很大，屬于強動載荷，往往會引起結構的塑性變形，以及結構的材料性質發生變化等[2]。例如，汽車、飛機等在事故中的撞擊，以及彈體著靶和穿甲、釘釘子、手機跌落、機械加工中的高速沖壓等都是典型的沖擊載荷。 振動載荷則會造成結構在平衡位置附近產生往復交替的運動，與沖擊載荷相比，振動載荷的時間歷程較長，對于某些服役中的裝備而言，時間跨度可以長達數月甚至更長，但其載荷幅值一般相對較低，結構響應多體現為彈性變形。例如，汽車正常行駛過程中路面載荷就是一種典型的隨機振動載荷，我們能說話和聽到聲音正是聲帶與耳朵鼓膜振動的結果，汽輪機、發電機組運行過程中所發出的噪聲也是機械振動所導致的。 狹義上而言，一般業內所討論的動力載荷往往針對的是振動載荷，本書所討論的結構動力學研究的也是振動載荷下的結構響應行為及其性能評估，主要通過對結構的動態特性和動力學響應分析，評估結構或裝備在動力載荷下的環境適應性，如材料的強度是否能夠滿足設計指標要求、長期服役過程中結構材料是否會發生疲勞失效、加速度過大是否會導致某些電子部件的功能無法正常工作、間隙過小的裝配部件是否會發生碰撞干涉、振動響應過大是否會導致噪聲超標等。 1.2 結構動力學分析方法概況 結構動力學分析在數學上是對通過動力學方程描述的結構動態行為進行求解，結構動力學方程描述了結構在振動載荷下的力學狀態，是慣性力、阻尼力、恢復力和外載荷之間的平衡。 對于只考慮線性行為的結構而言，其動態特性描述、響應求解等動力學分析的理論體系和模擬技術都比較成熟。對于結構中不同程度存在的非線性現象，如部件之間的摩擦接觸（螺栓預緊連接等）、軟材料的幾何大變形（部分橡膠、泡沫等有機材料等）、材料參數的非線性（炸藥、混凝土等非金屬材料的拉壓不對稱行為）等，其動力學分析方法離實際工程應用尚有較大差距，目前仍處于理論研究階段，研究對象多為簡單部件，通常采用等效線性化方法進行處理。 需要說明的是，非線性行為將導致結構的響應分析復雜、不確定性大、試驗控制困難，往往意味著對結構的可靠性和穩定性產生不利影響。但實際裝備結構的動力學行為多呈弱非線性，這樣使得基于線性理論的動力學分析方法在裝備工程中得到了廣泛應用。本書在編寫過程中，也主要是在線性理論范圍內，對結構動力學的理論、數值模擬和試驗等相關內容進行闡述與討論。 1.2.1 結構動力學分析的主要內容 結構動力學分析主要包括結構的動態特性分析和動力學響應分析兩部分內容，其中，動態特性分析主要采用模態分析方法，獲得結構的固有頻率和模態振型，其目的在于評估結構的模態特性，指導方案設計，如盡可能地將結構的固有頻率，尤其是基頻偏離工作環境下的載荷特征頻率，避免結構發生共振。 動力學響應分析則是分析結構在振動載荷下的動態響應，包括位移、速度、加速度、應變、應力等，然后根據這些響應進行動力學性能評估。 1.2.2 結構動力學分析的研究方法 結構動力學分析根據不同的對象及工程需求，存在多種不同的分析方法。總的來說可分為分析方法和試驗方法。分析方法通過建立結構的數學模型，通過理論或數值的手段進行研究；試驗方法則針對裝備結構進行動態特性和動力學響應的測試，是*直接的研究手段，可以避免分析方法中由于對裝備結構、材料和連接的認知不充分或過度簡化導致的結果可信度不高的問題，測試結果一般可以作為分析方法的參考。但試驗方法通常只能獲得有限的測點數據，無法充分地反映系統的全局狀態，同時還存在試驗結果分散性的問題，且試驗往往所耗費的時間及人力、物力成本較高。 裝備結構的一個重要特點在于其復雜性，單純依賴數值方法可能導致結果偏離實際，而單純依賴試驗方法只能獲得片面的認識，因此在工程實踐中，必須將二者結合起來，以獲得全面的、可靠的結果[3]。 結構動力學的分析方法在針對不同的結構時可采用不同的研究手段，可采取兩種劃分方式，一種是根據振動信號的特點（時程信號或是頻譜信號）將其分為時域法和頻域法；另一種則根據所分析模型的不同（連續模型或是離散模型）將其分為解析方法和數值方法。 1）時域法和頻域法 （1）時域法。振動載荷與時間歷程密切相關，在給定的時程載荷下，直接計算得到結構響應的時間歷程，結果*為直觀。但由于振動載荷往往持續時間較長，采用時域法進行分析時，存在計算量大、效率低、規模過大及結果收斂性等問題導致計算難以進行。此外，對于實際工況中較常見的隨機振動載荷而言，需要經過多個樣本的分析才能反映響應的統計規律。因此，在動力學分析的實際應用中，除一些特殊分析工況外（如基于時程法的地震響應分析、結構中不可忽略的非線性行為等），時域法的應用限制較多。 （2）頻域法。根據實際工程中振動載荷的特點，可以將振動載荷時間歷程進行轉換，將其變換為頻域載荷，如將發動機的工作載荷轉換為諧波載荷（幅值譜），將汽車路面激勵轉換為隨機載荷（功率譜密度），可采用諧響應分析和隨機振動分析方法進行研究，這樣使得分析過程與時間無關，各個頻率點的分析也相互獨立，結合模態疊加法，計算量大為減少，尤其是對隨機載荷，頻域內的譜分析方法能夠得到響應的統計特性，更具有實際工程意義。 2）解析方法和數值方法 （1）解析方法。工程中的裝備結構往往可分解為梁、桿、板、殼等基本部件的裝配組合，對于這些典型部件的分析是結構動力學研究和發展的基礎，其動力學方程往往可以用解析方程進行顯式表達，是單個典型部件動力學行為的連續模型描述，一些形狀規則、邊界條件簡單結構的動態特性和動力學響應可以獲得其解析表達式。例如，Grimes等[4]針對土星Ⅴ火箭，分別建立了4種不同的數學模型——梁-桿模型、梁-桿-1/4殼模型、1/4殼模型和三維模型，如圖1.1所示。 圖1.1 土星Ⅴ火箭的4種模型 解析法具有求解簡單的特點，在結構動力學發展早期起到了關鍵的作用，但是往往只能適用于較簡單的結構，且往往求解精度不高，無法充分地反映結構局部運動特征。隨著工程科學的快速發展，設計要求及分析精度越來越高，解析法難以適用精度要求高的場合[5]。 （2）數值方法。與基于連續模型的解析方法不同，數值方法則主要針對離散模型，例如，早期在分析阿麗亞娜（Ariane）火箭的縱向振動時，就將箭體描述為一系列彈簧和集中質量[6]。后來所建立的有限單元法（finite element method，FEM）既可以處理任意形狀的區域，也可以處理包含解的導數的邊界條件（如Neumann邊界），并且具有良好的收斂性，可以通過增加網格密度得到更加精確的數值解[7]。 伴隨著計算機技術的飛速發展，半個多世紀以來，已經有多款成熟的商業有限元軟件在裝備行業中發揮了重大作用，結構動力學分析的各個方面在軟件中都有相應的功能模塊進行數值模擬，如國外開發的Ansys、Nastran、Abaqus、Hyperworks等。國產有限元軟件也取得了長足進步，例如，中國飛機強度研究所牽頭的HAJIF（航空結構分析）軟件[8]，已應用于多個飛機型號的結構分析中；中國工程物理研究院開發了大規模并行有限元分析框架PANDA[9]及基于該框架下的結構靜力學和動力學分析軟件PANDA-Stavib[10]，可實現“上億自由度、上萬核”水平的計算，萬核并行效率高達50%以上。 有限元目前已經成為包括結構動力學在內的諸多工程分析的主流方法，當前，在計算機硬件能力不斷提升、軟件功能日趨完善的背景下，數值方法已經能夠逐漸取代某些試驗方法，有效地提高裝備研制的效率，降低研制成本。 1.3 本書概述 目前市面上的結構動力學方面的專業書籍大體可分為兩類，一類主要面向高校，屬于教材類，側重理論；另一類則主要面向工程技術人員，屬于教程類，多基于某種計算機輔助工程（computer aided engineering，CAE）仿真軟件，結合一些算例，對動力學的各個分析功能模塊進行演示，介紹通用性的數值模擬方法。 本書兼顧教材和教程的特點，由淺入深，以工程化的語言描述，將結構動力學的基本理論與實際工程應用緊密結合，幫助讀者對結構動力學分析技術進行快速掌握，適合于具有一定結構動力學基礎知識的工程和研究人員。 在內容安排上，第1章為緒論，第2～8章主要介紹結構動力學的基本理論和分析方法，包括結構動力學的基本分析理論、動力學有限元建模方法、動力學分析模塊的標準流程及結構疲勞等內容，并將動力學試驗與模型修正結合，展示數值模擬與試驗的綜合應用；第9～16章主要介紹多種復雜工程結構動力學數值模擬，基于編者所在團隊動力學分析方面多年的成果和經驗積累，針對裝備結構中一些存在迫切需求背景的問題開展詳細的分析，進行多種特殊的動力學分析方法的數值模擬演示，包括一些理論推導和仿真技巧，突出深度，具有較強的參考性和實用性。 全書在編寫過程的實例演示中，主要是基于Ansys經典界面平臺和Workbench平臺，其中，Workbench平臺相比傳統的Ansys經典界面平臺在前后處理上具有更大的優勢，目前已經成為主流的CAE分析工具之一，但Ansys經典界面平臺在二次開發及APDL 的編程上更為靈活，在實際裝備結構工程應用中兩個平臺配合使用會相得益彰，因此本書在算例演示時會兼顧在這兩個平臺中的應用。 第2章 結構動力學分析基本理論 本章主要對結構動力學分析的基本理論體系的內容和框架進行簡明扼要的梳理，目的在于使讀者能夠從整體上了解結構動力學分析的基本體系和框架，也為本書后續章節的閱讀和理解提供必需的知識儲備。 2.1 單自由度系統的動力學響應 一個系統的自由度數是指完全描述該系統一切部位在任何瞬時的位置所需要的獨立坐標的數目[1]。與一般科學問題的研究類似，從*簡單的單自由度情況開始分析，如圖2.1所示。 圖2.1 單自由度系統示意圖 圖2.1描述了含阻尼特性（實際結構不同程度地存在阻尼特性）的質量彈簧系統，其結構動力學方程為 （2.1） 式中，m、c和k分別為單自由度系統的質量、阻尼和剛度參數；f為外載荷。 2.1.1 時域響應分析 在自然界中，振動載荷*原始的信號記錄以時間歷程形式描述，即外載荷f是時間的函數，為便于分析，假設f為諧波形式，并考慮其初始狀態（初始位移和初始速度），則式（2.1）變為 （2.2） 式中，fe為諧波載荷的幅值；ωe為諧波載荷的圓頻率，單位為rad/s。
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