Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS68\MTS68_t6z1_4_PDF\mts68_t6z1.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA I,  6(1968) U KŁAD   O  D WÓCH   STOP N IAC H   SWOBOD Y  JAKO  „D YN AMICZN Y  IZ OLATOR"  DRGAŃ BOG U SŁAW  R AD Z I SZ E WSK I ,  AN D R Z E J  R ÓŻ YC KI  (WARSZ AWA) 1.  Z agadn ien ie  drgań  ukł adu  o  dwu  stopniach  swobody,  przedstawionego  n a  rys.  1, był o  wielokrotnie  rozpatrywan e  w  literaturze  [1, 2], przy  uwzglę dnieniu  róż nych  wariantów wartoś ci  stał ych  param etrów  ukł adu  takich  ja k:  m —m a sa ,  / —m o m e n t  bezwł adnoś ci wzglę dem  osi  prostopadł ej  do  pł aszczyzny  rysunku  i  przechodzą cej  przez  ś rodek  masy, k x   i  k 2   —  sztywnoś ci  po dpó r  it p .  oraz  rodzaju  wymuszenia  P  =  P(t)  gdzie  P  oznacza am plitudę  —  i  sprowadzan e  czę sto  do  drgań  ukł adu  o jedn ym  stopniu  swobody  (rys.  2), jeś li  k t   =   k 2 .  Jedn akże  w  niektórych  przypadkach  nawet  przyję cie  do  rozważ ań  teore- Q(m,J) R ys.  l tycznych  pierwszego  m odelu  (rys.  1)  okazuje  się   zbytnim  uproszczeniem  i  w  efekcie  pro- wadzi  d o  niezam ierzonych  i  kł opotliwych  konsekwencji  w  postaci  niespeł niania  przez kon strukcję ,  obliczoną   wedł ug  tego  m odelu,  stawianych  jej  wymagań. D otyczy  t o  szczególnie  ukł adów,  w  których  zależy  n am  n a  nieprzenoszeniu  się   drgań podstawy  okreś lonych  funkcją   P  =   P(t)  n a  element  konstrukcyjny,  przedstawiony  n a m odelu  pierwszym  (rys.  1) ja ko  belka  o  masie  m  i  momencie  bezwł adnoś ci  J  wzglę dem osi  prostopadł ej do pł aszczyzny  rysun ku  i przechodzą cej  przez  ś rodek  masy.  M a to  miejsce 94 BOGUSŁAW  RAD ZISZEWSKI,  AN D RZEJ RÓŻ YCKI w  przypadku  n p . wszelkiego  rodzaju  elektronowo- mechanicznych urzą dzeń  pom iarowych ustawionych  n a  elemencie  konstrukcyjnym  sprę ż yś cie  podpart ym ,  jeś li  warun kiem  p o - prawnoś ci  ich pracy —  z uwagi n a wiarygodność  i dokł adn ość  wskazań  — jest  zapewn ien ie odpowiedniego  współ czynnika  tł umienia  («izolacji»)  am plitudy  wymuszeń  P  =  P(t). Przyję cie  do  rozważ ań  modelu  pierwszego  (rys.  1)  nie  daje  zadowalają cych  wyników, gdyż  kon struktor  umieszczają c  n a  elemencie  noś nym  (belka  n a  rys.  1) podzespoł y m ech a- m P- Pft) Rys.  2 niczne  i  elektryczne,  przewody  itp., nie jest  w  stanie  okreś lić  w  sposób  analityczny  d o st a- ecznie  dokł adnie  poł oż enia ś rodka  m asy. Moż liwe jest  to  dopiero  po  wykon an iu  prototypu —•  i  to jedyn ie  m etodą   doś wiadczal- n ą —  lecz  wtedy  wzglę dy  konstrukcyjne  nie  pozwalają   przeważ nie  n a  dokon an ie  takich zmian  w  rozmieszczeniu  poszczególnych  elementów  aparatury,  aby  czę ść  urzą dzen ia  p o d - parta sprę ż yś cie  był a wyważ ona,  tj. m iał a ś rodek masy  w poł owie odległ oś ci mię dzy p u n kt a- mi podparcia. Równocześ nie  róż ne  podzespoł y  aparatury  i  ich  elementy  umieszczone  n a  elemencie noś nym  (belka  — rys.  1) nie są   prawie  nigdy jedn akowo  wraż liwe n a  drgania,  a  z  kolei  nie wszystkie  czę stoś ci  wymuszenia  P  =   P(t)  oddział ywują cego  przez  sprę ż yste  ł ą czniki  n a belkę ,  zakł ócają   pracę   tych  elementów  w  sposób  istotny,  tzn .  nie  wszystkie  czę stoś ci  są_ jedn akowo  dla  ich pracy  szkodliwe.  P on adto w przypadku  dość znacznego  odstę pu mię dzy pun ktam i  sprę ż ystego  podparcia  belki  wymuszenie  o  czę stoś ci    m a w  tych pu n kt ach prze- waż nie  róż ną   wartoś ć,  tzn . P\ {t)  Ą= Pi(t). Powstaje  zatem  pytanie — decydują ce  z  pu n kt u  widzenia  konstrukcyjnego  —  czy okreś lony  pun kt  belki  doznaje  pionowych  przemieszczeń  i  jaką   mają   one  wartość  przy okreś lonej  czę stoś ci  wymuszenia. Konstrukcja  musi  wię c  speł niać  warunek,  aby  n a  pewn ym  odcinku  belki  o  dł ugoś ci Al  przemieszczenie  pionowe  y,  prę dkość  y  i  przyś pieszenie  y,  był y  zawsze  mniejsze  od pewnych  stał ych  e 1 }  e2,  e3,  okreś lonych  jako  dopuszczalne  dla  elementów  kon strukcyj- nych, umieszczonych n a odcinku Al.  Warun ek ten musi być speł niony w pewnym  przedziale czę stoś ci  wymuszeń  t j.  w e  ( ą , o>2). U KŁ AD   DRGAJĄ CY  JAKO „D YN AMICZN Y  IZOLATOR" 95 Schematyczna  ilustracja  powyż szego  warun ku  zawarta  jest  n a  rys.  3  oraz  opisana nierównoś ciam i: (1.1) £ 3 . gdzie  y o +x&  =  y  przyję to  przy  tym,  że  przemieszczenia  pionowe  koń ców  belki  A  i  B  są dostatecznie  mał e  w  porównaniu  z jej  dł ugoś cią,  a  więc  t g#   =  &. ^ S  , . - > - - 5 S 5 5 3 &"""   0, wię c  równ an ie  (2.6) ma dwa pierwiastki  rzeczywiste I 2 (2.7) Rozwią zanie  szczególne  ukł adu równoś ci  (2.5)  otrzymujemy  w postaci (2.8)  y {   = ^ s i n r ,  i gdzie A  -   a2- b2c2)- Q2 (2.9)  Q*- (l  +  a2)i - cQ 2 Q*- (\ +a 2 )Q 2 Ą - {a 2 - b 2 c 2 )' Rys.  5 Z akł adają c,  że ruch  u kł ad u przedstawionego  n a rys. 4 m oż na  traktować jako  ruch pł aski brył y  sztywnej,  zbadam y  poł oż enie ś rodka  obrotu  S. Jest to taki  pun kt, którego  przemie- szczenie  pionowe  y s   = 0. Z e zwią zków  geometrycznych  na rys. 3 mamy (2.10)  *. =   A . gdzie  x s   — odległ ość  ś rodka  obrot u  od począ tku  ukł adu  O.  U wzglę dniając  poprzedn io wprowadzon e  oznaczenia  otrzymujemy (2- 11)  * 1 ' " ^ ' gdzie  Xt s  =  x s / h+l 2 . U wzglę dniając  zależ noś ci  (2.8)  i  (2.9) otrzym am y  z  (2.11) (2.12) *i.= Q 2 - (ck 2 )P 0 smcot, mr 2 &+(*!  / , -   k 2 l 2 )y+(lą   l\ + k$ft  =   (fci A -   «*2/ a)Ą   sin.ft)?. Przyjmują c  te  same  co  poprzednio  oznaczenia  powyż szy  ukł ad  równ ań  m oż na  dopro- wadzić  do  postaci: Wprowadzimy  teraz  nowe  param etry (3.4)  | 2 .  = wtedy i  ostatecznie z  (3.3)  otrzymamy r\ ">  t l i  i  • !•   ^ P  n  ^  ~ T ~  ^ ^ s  ~ Ten  ukł ad  równ ań  m a  równanie  charakterystyczne  takie  sam o jak  i poprzedn io,  rozwią za- nie  zaś  szczególne  jego  bę dzie  teraz  w  postaci (3.7) gdzie _ / ,  m  A ^  ;  2  A U K Ł AD   D R G AJĄ CY  JAKO  „ D YN AM I C Z N Y  I Z O L AT O R "  99 P odstawiając  (3.7)  do  (2.11)  i uwzglę dniając  (3.8) i  (3.9)  otrzymamy (3.10)  Xi N iech  teraz (3- H)  ' I +  a) Wtedy  zależ ność  (3.10), okreś lają ca  poł oż enie n a osi  X ś rodka  obrotu  S  belki,  przyjmie postać (3- 12)  xi.~  -p  02  _  n.  • Z bad am y  obecnie  poł oż enie  pun ktu  S  w  zależ noś ci  od  param etrów  ukł adu  i  czę stoś ci wymuszeń. fi+H 1- noc/ l / (!+oc)(J-   nccp) £' \ R ys.  6 Biorąc pod  uwagę  róż ne kombinacje  param etrów ukł adu (a, j8, x, b2)  moż emy  wpł ywać n a  zn ak  i  wartość  liczbową  param etrów  wtórnych  opisanych  zależ noś ciami  (3.11).  Roz- waż ania  te  w  formie  usystematyzowanej  zawiera  tablica  1,  przy  czym  zawsze < x> 0;  iS> 0. Wykresy  zależ noś ci  x is   =f{O 2 )  okreś lone  przez  (3.12) przedstawiono  n a  rysunkach  6—28, przy  czym  x t   i Q2  są  wielkoś ciami  bezwymiarowymi  —  zgodnie  z  (2.4)  i  (2.11). Ogólnie n a  wykresach  otrzymujemy  jedn ą  lub  dwie  gał ę zie hiperboli, przy  czym pun kty charakterystyczn e  wykresu,  ja k  poł oż enie  asym ptot,  pun kty  zerowe  (Qz  =   0  i  x l s  =   0), a  także  zn ak  pierwszej  pochodn ej  (funkcja  x ls   = / (jQ 2)  rosną ca  lub  maleją ca)  zależą  o d 100 BOGUSŁ AW  RAD ZISZEWSKI,  AN D RZEJ  RÓŻ YCKI param etrów  (3.11).  M ając  więc  cztery  param etry  pierwotn e:  b2  (2.3),  a  i  p  (3.4)  oraz  K (3.1)  moż emy zmieniając je  wpł ywać  w  okreś lony  sposób  n a  przebieg  funkcji  (3.12). Poniż ej  omówiono dokł adniej niektóre przypadki  szczególne  zależ noś ci  (3.12)  z  uwagi n a  ich  bardzo  duże  znaczenie, jeś li  chodzi  o  zastosowania  konstrukcyjne. Tablica 1 Lp. Wartoś ci parametrów (3.11) x<  0= >  R>0,Q>  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 —oo  <  x<  0 e . < o Qi- 0 fii>  0 Rl<0 R X   =  Q  • Rt>  0 .R i< 0 i?i  = 0 # ,>  0 i?!  < 0 Ri  = 0 i?i& <  i?2Qi ^ 162  —  ^ 2 61 Wykresy  funkcji x, s = / ( i 3 ! ) przedstawia Rysunek  N r : 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 x>  0 = > >  0,  Q, 0 <  x  < o o 0 <  x <  oo —oo  <   a <   oo >  0 &< o 62  < 0 &  =  o e 2 > o i?2< 0 - R2  =   0 i ? 2 >  0 i ? 2 < 0 J?2  =  0 i?2>  0 , R 2< 0 i?2  =  0 J?i>  0  G i >  0 R2>  o  e *> o R\ Q% <  RiQi RiQi  -   .K2Q1 - RiG ł>  - R2Q1 ^ i Q 2  <  £ 2 Q i i?lG 2  =   J?2«2l i ? i G 2 >  RiQi 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 N astę pują ce  pozycje  z  tablicy  1  i  odpowiadają ce  im  rysun ki:  poz.  2  (rys.  7), p o z.  12 (rys.  17) i poz. 22  (rys.  27)  stanowią  przypadek,  gdy  poł oż enie  ś rodka  o bro t u  S  n ie  zależy od  wartoś ci, jaką  przybiera  wymuszenie  Q2  i jest  wartoś cią  stał ą  (xi  =   con st).  Z ach odzi t o  wówczas,  gdy  R t Q 2   =   R 2 Qi- U KŁAD   DRGAJĄ CY JAKO  „DYN AMICZN Y IZOLATOR" 101 Pozycje  6,  7  i  8  (tablica  1) dotyczą   przypadku,  gdy  n  =   —/S, a jeś li  p o n ad t o zachodzi n  =  —l/ a ,  czyli  a/S =   1,  otrzymujemy  przypadek  7  (rys.  12), kiedy  belka  wykonuje  ruch obrotowy  wokół   stał ego  pu n kt u  Xi  =  0.  Widzimy,  że  m am y  t u  znaną   sytuację ,  gdy l- na.fi Jl+n Rys. 7 / c2/ 2  =   kji  —  uwzglę dniając  (3.4). Oznacza t o , że jeś li chcemy, aby  ś rodek masy pozostawał w  spoczynku  niezależ nie  od  czę stoś ci  wymuszenia,  należy  wartoś ci  ki  i k 2   dobrać odwrotnie proporcjon aln ie  do  odległ oś ci pun któw  Ai  B  (ki  l 2 )  od  ś rodka  masy  (ukł adu). Rys. 8 Pozycja  4  (rys.  9)  i  10  (rys.  15)  opisują   przypadek,  gdy  %  =   —l/ a,  tj.  %  =   —k^ k 2 ; asym ptota  poziom a  pokrywa  się   wtedy  z  osią   Q\   a  odcię ta  asymptoty  pionowej  wynosi a ( l —«) / l + a .  Widzimy  wię c,  że  przy  Q%  rosną cym  nieograniczenie  ś rodek  obrotu  S 102 BOGUSŁAW  RAD ZISZEWSKI,  AN D RZEJ  RÓŻ YCKI zbliża  się   asymptotycznie  do  ś rodka  masy.  Rosną cy  lub  maleją cy  przebieg  funkcji  zależy od  wartoś ci /J. Pozycja  17  (rys.  22)  opisuje  przypadek  szczególnie  waż ny  z  pu n kt u  widzenia  kon struk- cyjnego,  mianowicie  Q 2   =   0,  R z   =   0,  czyli  x  =   1,  \ {P\ (t)  =  P z (t)]  i  po n adt o  a  =   1//?, fił tl Rys.  9 tj.  lejki  =  hlh>  Oznacza  t o ,  że  wszystkie  pun kty  belki  bę dą   doznawał y  jedn akowych przemieszczeń  pionowych  (pun kt  S jest  pun ktem  niewł aś ciwym)  tylko jwtedy  (niezależ nie od 122), jeś li  wymuszenia  w  pun ktach podparcia  bę dą   takie  same,  a  sztywnoś ci  ł ą czn ików odwrotnie  proporcjonalne  do  odległ oś ci  pun któw  A  i  B  (li  i  / 2)  od  ś rodka  masy. - ł/c 1- nci.fi fi+yt Rys.  10 Jeś li  zachodzi jedynie  warunek,  że  R z   =  0  (pozycja  14  (rys.  19)  i  20  (rys.  25)),  czyli « a ^ =   1,  to  otrzymujemy  liniowy  charakter  x Xg   =f(Q 2 ),  przy  czym  jeś li  Q2  - >  oo, .  to również  JCJ  - +  ±   oo. 1-KOCP Rys. 11 Rys. 12 Rys. 13 [103] 104 BOGUSŁAW  RAD ZISZEWSKI,  AN D RZEJ RÓŻ YCKI fi- m / (tł ot)(hHdp) Rys. 14 Pozycja  15  (Rys.  20) i 19  (Rys.  24) w  Tablicy  1 zawiera  przypadek, gdy zależ ność  (3.12) nie  posiada  asymptoty  pionowej,  a  asym ptota  poziom a  m a  wartość  skoń czoną.  Oznacza t o ,  że powyż ej  pewnej  umownej  wartoś ci  Q2  m oż na  traktować  ś rodek  obrotu  S ja ko  usta- lony  na  osi  x. fi+x ty(f- ł t) 0 "J cc(/ - x) —  »_, Rys. 15 Pozycja  16  (rys.  21)  i  18  (rys.  23)  zawiera  przypadek,  gdy  istnieje  —  analogicznie  jak wyż ej —  asymptota poziom a, n atom iast asym ptota pion owa istnieje  i pokrywa  się  z osią   x ls (przechodzi przez  O), czyli  %  =   1,  afi #   1, (Q 2   =  0,  R 2   i= 0). P rzy  mał ej wartoś ci  Q2  belka U KŁAD   DRGAJĄ CY  JAKO  „D YN AMICZN Y  IZOLATOR" 105 n ie  m a  ruch u  obrotowego,  nastę pnie  wartość  odcię tej  x ls   maleje  bardzo  szybko,  prze- ch odzi  przez  O  i  gdy  Q2  - >  +   oo, to ' / * , l- oc/3 I- T tccfi DCJP+T t) C / (hcC)(t- 7C0CP): Rys. 16 N ależy jeszcze podkreś lić, że jedyn ie  w dwóch wypadkach pozycja  6 (rys.  11) i pozycja  8 (rys.  13)  przy  x"  =f(Q2)  #   con st wartość  x^  (0) =   0.  P on adto w  ż adnym  z  moż liwych przypadków  Xi  (0)  i= 0,  co  widać  wyraź nie  z.usytuowan ia  poziomych  asym ptot  funkcji (3.12). 1- KoCfi Rys. 17 4.  W  przypadku  projektowan ia  ukł adu  sprę ż yś cie  podpartego,  który  może  być  zmo- delowany  zgodnie  z  rys.  4  przy  zał oż onym ś rodku  masy,  moż emy  posł ugiwać  się  zależ no- ś ciami  (3.11) i  (3.12) dla  wyznaczenia x ls   przy  danej czę stoś ci wymuszeń Q2 i a (3.1). Otrzy- mujemy  t o , zakł adają c wartoś ci  k^   i  k 2   (okreś lamy  a), znają c  lub przyjmują c  /j  i  / 2  (okres- B  Mechanika teoretyczna \ /­•HOC/3 fi+n Rys. 18 Rys. 19 b*(h7iot)(kfl) /­7td/3 0 bH / oc(fryi)  ^ ­ ^ Rys. 20 [106] t­dfi ',  x. Rys. 21 Rys. 22 /­oC/3 ocli Rys. 23 [107] l­HOCft Rys.  24 Rys.  25 fi+x {1+fi)(1­yi) httotfi 0 y /  (Uot)(f­ xccp)  yr  QZ Rys.  26 [108] U KŁAD   DRGAJĄ CY  JAKO „D YN AMICZN Y  IZOLATOR" 109 lamy  /3), oraz  prom ień bezwł adnoś ci r  (2.3) —•  mają c  wartość masy m. Znają c  xljs  na pod- stawie  (2.11) i  (2.4) okreś lamy  x s   —  odległ ość  ś rodka  obrotu KfleHHHM   rapiwonn^ecKofi  C H JIOH , a  aiwraiHTyfla  BbraywfleHHH   HBJineTCH  pa3H ofi  fljia  o6eia[x  n o fln o p . B  paccy>KfleHHHX  oripe^ejin eTca  nojioH