结构动力学简介：探秘建筑物的震动特性

结构动力学是结构力学的一个分支，着重研究结构对于动载荷的响应（如位移、应力等的时间历程），以便确定结构的承载能力和动力学特性，或为改善结构的性能提供依据。结构动力学同结构静力学的主要区别在于，它要考虑结构因振动而产生的惯性力（见达朗伯原理）和阻尼力；而同刚体动力学之间的主要区别在于，要考虑结构因变形而产生的弹性力。

结构振动的幅值、频率和相位是振动的三要素。幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。

不同的频率成分反映系统内不同的振源，通过频谱分析将测量所得的振动，利用傅里叶变换分解成不同零件各自的振动波形，可以确定主要频率成分及其幅值大小，由频率的分布判断发生振动的来源，进而采取相应的措施，如转轴或轴承。

振动信号的相位信息十分重要，相位分析就是将测量所得的振动，分解成不同零件各自的振动波形后，由频率的相位差异判断发生振动的模式，如转轴变形或转轴对心不良。因此，可利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。

结构动力学分析的最终目的是：确定在动力载荷作用下，结构的内力、位移、反力等量值随时间的变化规律，从而找出最大值，以作为设计分析的依据。

ANSYS Workbench提供了5种结构动力学分析方法。下面分别加以介绍。(www.xing528.com)

（1）模态分析（Modal）ANSYS Workbench采用模态分析，计算结构固有频率和振型。如汽车尾气排气管的固有频率和发动机的固有频率相同时，可能被振散；受离心力作用的涡轮叶片会表现不同的动力学特性，这些问题都需要进行模态分析确定结构的振动特征。

（2）谐响应分析（Harmonic Response）当激励为简谐函数时，谐波响应分析用于确定稳定简谐载荷下结构的响应。如回转机器对轴承和支撑结构施加稳态的交变作用力，这些作用力随旋转速度的不同而引起不同的偏转和应力，需要分析结构对稳态简谐载荷的响应。

（3）响应谱分析（Response Spectrum）用于确定载荷谱对结构的响应分析，如地震响应谱作用下结构的振动。

（4）随机振动分析（Random Vibration）用于确定随机载荷对结构的响应分析，如车辆运行中由于路面不平而引起的车辆振动，电子器件需要承受持续一段时间的变频率随机载荷，则需要随机振动分析。

（5）瞬态动力学分析（Transient Structural）冲击载荷、突加载荷和快速移动载荷对结构瞬态动力分析，利用瞬态动力学可确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随机组合下随时间变化的位移、应变、应力和力。