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MECHANICAL SYSTEM DYNAMICS

F = kΔl

F = c dΔl/dt

mẍ + cẋ + kx = F(t)

mẍ + cẋ + kx = 0

x(t) = X0 eλt

ẋ(t) = λ X0 eλt

ẍ(t) = λ2 X0 eλt

2 X0 eλt + c λ X0 eλt + k X0 eλt = 0

(mλ2 + cλ + k) X0 eλt = 0

λ2 m + λc + k = 0

λ1,2 = c/2m ± √(c/2m)2 - k/m

ASSUME c = 0 → NO DAMPING

λ1,2 = ± √-k/m = ± i √k/m = ± i ω0

mẍ + kx = 0

X(t) → Xω₀ eiω₀t + Xω₀ e-iω₀t

ω0 = √k/m [rad/s]

F0 = ω0/ [Hz]

X(t) → Xω₁ e-iωot + Xω₂ e-iωot

x(t) = (a + ib) et + (a - ib) e-iωt

= (a + ib) (cos ωt + i sin ωt) + (a - ib) (cos ωt - i sin ωt) = 2a cos ωt - 2b sin ωt

A cos ωt + B sin ωt

apply initial/border conditions

x(0) = X0 ⇒ A cos ωt + B sin ωt → x(0) = A

ẋ(0) = V0 ⇒ Aω0 sin ωt + Bω0 cos ωt → ẋ(0) = Bω0

A = X0

B = V0 / ω0

x(t) = X0 cos ωt + V0 / ω0 sin ωt

if x(0) = X0, ẋ(0) = 0 → x(t) = X0 cos ωt

continuous transfer of energy between kinetic and potential

x0

t

T0 = 2π / ω0 OSCILLATION PERIOD

λ1,2 = C / 2m ± √(C / 2m)2 − k / m

assume C > 0, - (k / m) < 0

[C / 2m] [± ω0] [C / 2m] [− ω02] < 0

[C / 2m] ω0 > 0

C / 2m < ω0

C / 2mω0 < 1

2mω0 CRITICAL DAMPING [N S / m]

C / Ccrit DAMPING RATIO

if damping ratio is lower than 1

λ1,2 = -C / 2m ± i √ (ω02 − (C / 2m)2)

Eigenvector describes how the system oscillates at a given frequency (as a ratio between coordinates values)

δ(t) = C11 X01 e1t + C21 X02 e1t + C12 X01 e2t + C22 X02 e2t + ...

X(t) = | X01 C11 C12 e1t + C21 C22 e1t + ...

X(t) = X01 (A1 cos ω1t + B1 sin ω1t) + X02 (A2 cos ω2t + B2 sin ω2t) + ...

X(t) = ∑j=1s X0j (Aj cos ωjt + Bj sin ωjt)

Free motion = combination of eigenmodes - constants can be obtained by applying initial conditions

String element

∑F⃗ = m a⃗

-T sin α + T sin (α + dα) = m dx ¨W (vertical acceleration)

-Tα + T (α + dα) = m dx ¨W

T dα = m dx ¨W

α ≈ tan α ≈ δW/δx → δα ≈ δ2W/δx2 dx

T δ2W/δx2 = m δ2W/δt2

δ2W/δt2 = (T/m) δ2W/δx2 (valid only with no external forces)

kg/m = mass per unit length

mass = m . dx [kg/m]

(m/s2) / (kg/m) = speed2

δ2W/δt2 = c2 δ2W/δx2 (wave speed propagation squared)

δ²W

δt² = α(x) β(t)

0W

0W x⁴ = αʺ(x) β(t)

αʺ(x) β(t) EJ = α(x) β(t)

αʺ(x)

P(x) δ(x) m

β(t) P(t) = const. = -ω²

β̋(t) + ω² β(t) = 0

P(t) + ω² β(t) = 0

β(t): A cos t + B sin t

= C cos (ωt + ϕ)

αʺ(x) EJ m = -ω² α(x) = 0

αʺ(x) = m ω² α(x) = 0

αʺ(x) - γ² α(x) = 0

with γ² = mω² EJ

α(x) = c1 eγx

c2 e-γx

α(x) = α r -

αʺe - γ²

αʺ e - αe γ²

- e α

γ² = -λ²

λ² = γ² → λre = ±γ

α(x) = αi3 eiγx

+ αl3 eiγx

+ αl4 e-iγx

A cos γx + B sin γx

ch (γx) = eγx e - e

2 hyperbolic cosine

sh (γx) = eγx e - e

2 hyperbolic sine

sh (x) = eγx

α(x) = A cos γx + B sin γ x + C

2 + D sh γx

- D 2 = -βαx

most general solution possible

α''(x) + ωL2 α(x) = 0

U(x,t) = A cos (ωL/c x) + B sin (ωL/c x)

α(x) = A cos (ωL/c x) + B sin (ωL/c x)

C is multiplied into the previous A and B

u(0,t) = 0

A = 0

u(L,t) = 0

B sin (ωL/c) = 0

→ Trivial solution

ωL/c = kπ k = 1,2,...

ωk = kπ/L c = kπ/L √(E/ρ)

Uk(x,t) = (Bk sin (kπ/L x)) cos (ωk t + ϕk)

k = 1 ω1 = π/L √(E/ρ)

k = 2 ω2 = 2π/L √(E/ρ)

When ux(x,t) rises ↗ have TRACTION forces

↓ ux(x,t) decreases ↘ have COMPRESSION forces

u(x,t) = (A cos (ωL/c) + B sin (ωL/c)) cos (ωt + ϕ)

No constraints

N(0) = 0

N(L) = 0

N = EA ∂u/∂x

∂u/∂x = (-ωL/c A sin (ωL/c) + ωL/c B cos (ωL/c x)) cos (ωt + ϕ)

N(0) = 0 -> B = 0

N(L) = 0

A =0 trivial solution

ωL/c = kπ k = 1, 2, ...

→ ωk = kπ/L c

U(x,t) = (Ak cos (ωk/c x)) cos (ωk t + ϕk )

k = 1

ωk = π/L c

GENERAL SOLUTION

V. = 1/2 ∫0L qⱼ,x x qⱼ,xT EJ I dx

Vi = 1/2 ∫0L q,xT K q,x dx, [K] stiffness matrix

kij = ∫0L sin iπx/L x sin jπx/L x EJ x (iπ/L)2 dx

k₁ⱼ = 0, j ≠ 1

qⱼ, mi

ϕk = sin kπx/L

Φk = cos kπ/L

Φk = -sin kπ/L

[A] ∫cb ϕi(x)m(x)ϕj(x)dx

cb ϕi(x)m(x)ϕk(x)dx

mij = ∫0L Φi (m) mi Φj(x) dx ⋯ condition

mij = 0 i ≠ j

mij ≠ 0 i = j pinned-pinned beam ∫0L sin iπ/L x m sin jπ/L

kij = ∫0L Φi(x) EJ Φj(x) dx

kij = 0 i ≠ j

kij ≠ 0 i = 0 pinned-pinned beam ∫(iπ/L) ( sin iπ/L x ) x EJ dx x (iπ/L) EJ L/2

k₁ = (π/L)4 EJ L/2

k₂₂ = 16(π/2)4 EJ L/2

k₃ = (1/L)4 EJ L/2

hi = 1/2 m L ωi2 x 1%

r. 2 m L ωi hi

i) q(→){[x]}[rx]

i) q(→{[x]}[rx]) q = 0

i)/mi = √(in iπ/L)

EJ / L/2 m L = (2/L)4[EJ/m]

Dettagli
Publisher
A.A. 2020-2021
39 pagine
SSD Ingegneria industriale e dell'informazione ING-IND/13 Meccanica applicata alle macchine

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher ingZ di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Dinamica dei sistemi meccanici e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Melzi Stefano.