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振动基本理论是什么
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2022.07.09 湖北

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前人把复杂的过程隐藏了,只展示出重要的结果。一方面,确实节约了我们的精力;另一方面,我们确实也会因此错过很多。就像读一篇翻译文章,总是比不上读原版。工科教材中,简化了很多数学过程,看似方便学习,可当你好奇心作怪的时候,就难免感到迷雾重重了,到头来,还是要把数学深入到一定份上,你才能感到一点儿安心,一点儿自由。

有人说,振动力学难!天下事有难易乎?根据笔者多年的被教育经验,任何一门课,如果你觉得难,那一定是老师的问题。当然,笔者不一定是指这门课的老师,和前任也可能有关系。比如,你觉得振动力学难,可能是振动课老师不行,也可能是前任微分方程课的老师不行。

振动微分方程:

这不就是一个二阶线性常系数非齐次常微分方程(以下简称非齐次方程)吗?有什么难?能算难?真正难的,你可能还没见过!

讲清楚微分方程问题,也用不了几个概念:通解,全解,特解,定解,所有解,自由项。

如果非其次方程的自由项(x) 为0,则称为齐次方程。齐次方程的解叫做齐次方程的通解(全解);齐次方程+特解条件(定解条件)的解叫做特解(定解),特解条件有两类:边界条件(边值问题)和初始条件(初值问题)。

求解非其次方程特解的待定系数法:根据自由项的特点,假设方程的特解,再带入到方程,确定特解的待定系数(没提到特解条件)。

注意,上文中齐次方程特解的获得和非齐次方程特解的获得,是不一样的。非齐次方程的通解,由对应齐次方程的通解和非其次方程的特解组成;非其次方程+特解条件的解,由对应齐次方程的特解和非其次方程的特解组成。

所有解包含通解。比如:y=sin(x+c) 是y '=√1-²的通解,但y=±1也是微分方程的解。

综上,在振动微分方程中:

  • 非齐次方程的特解和初始条件无关,对应齐次方程的特解才和初始条件有关;

  • 非齐次方程+初始条件的解,一般只考虑非其次方程的特解,称为稳态振动。因为在阻尼系统中,对应齐次方程的特解是衰减振动,随着时间推移,趋于零,称为瞬态振动。

  • 振动理论中,如果是自由振动,那就是齐次方程的初值问题(初始条件重要);如果是受迫振动,那就是非齐次方程的特解问题(初始条件不重要)。单自由度振动系统的核心就是这两句话,如果你扎实掌握了,后面的多自由度问题,无非就是求解常微分方程组,也就是常微分方程的线性代数。如果线性代数也学得不错,那多自由度问题也很简单。说到线性代数,笔者插一句,线性代数,无非也就是一种运算规则,和加减乘除初等代数本质上没两样,只是加减乘除是一个数一个数来处理,线性代数是一组数一组数来处理,所以也叫做代数,这样说来,线性代数毫无神秘感可言,何难之有。


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