間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,cos凾数

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fcos(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmcos(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmcos(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmcos(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmss2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[cos(ωt)]=ss2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ss2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(sλ2)(s2+ωf2)+C4(sλ1)(s2+ωf2)+(C5s+C6)(sλ1)(sλ2)s(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(s3+ωf2sλ2s2λ2ωf2)+C4(s3+ωf2sλ1s2λ1ωf2)+C5{s3(λ1+λ2)s2+λ1λ2s}+C6{s2(λ1+λ2)s+λ1λ2}(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ1)(sλ2)+Fm[(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2)(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)]

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

部分分数分解 C2

x0=C1+C2C1=x0C2v0+2γx0={(x0C2)λ2+C2λ1}=λ2x0+C2λ2C2λ1v0+2γx0+λ2x0=C2(λ2λ1)C2=v0+2γx0+λ2x0λ2λ1λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω0=γ±ξλ2λ1=γξ(γ+ξ)=2ξ=v0+2γx0+(γξ)x02ξ=v0+γx0ξx02ξ=v0+γx02ξξx02ξ=x02v0+γx02ξ

部分分数分解 C1

C1=x0C2=x0(x02v0+γx02ξ)=x02+v0+γx02ξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

s=(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2) {0=C3+C4+C50=λ2C3λ1C4(λ1+λ2)C5+C61=ωf2C3+ωf2C4+λ1λ2C5(λ1+λ2)C60=λ2ωf2C3λ1ωf2C4+λ1λ2C6 行列とベクトルで表現すると以下のようになる. [0010]=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2][C3C4C5C6] 行列とベクトルを以下の文字で表すとする. y=[0010],A=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2],x=[C3C4C5C6] これをxについて解く. y=AxA1y=A1Axx=A1yx=A~|A|yA1=A~|A|,A~[C3C4C5C6]=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)1+3|M31|(1)1+4|M41|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|(1)2+3|M32|(1)2+4|M42|(1)3+1|M13|(1)3+2|M23|(1)3+3|M33|(1)3+4|M43|(1)4+1|M14|(1)4+2|M24|(1)4+3|M34|(1)4+4|M44|][0010]=1|A|[|M31||M32||M33||M34|]Mij:Aij()

|M3|及び|A|の計算

|M31|=|110λ1(λ1+λ2)1λ1ωf20λ1λ2|=|(λ1+λ2)10λ1λ2||λ11λ1ωf2λ1λ2|=(λ1+λ2)λ1λ210{(λ1)λ1λ21(λ1ωf2)}=λ12λ2λ1λ22+λ12λ2λ1ωf2=λ1λ22λ1ωf2=λ1(λ22+ωf2)|M32|=|110λ2(λ1+λ2)1λ2ωf20λ1λ2|=|(λ1+λ2)10λ1λ2||λ21λ2ωf2λ1λ2|=(λ1+λ2)λ1λ210{(λ2)λ1λ21(λ2ωf2)}=λ12λ2λ1λ12+λ1λ22λ2ωf2=λ12λ2λ2ωf2=λ2(λ12+ωf2)|M33|=|110λ2λ11λ2ωf2λ1ωf2λ1λ2|=|λ11λ1ωf2λ1λ2||λ21λ2ωf2λ1λ2|=λ1λ1λ21(λ1ωf2){λ2λ1λ21(λ2ωf2)}=λ12λ2+λ1ωf2+λ1λ22λ2ωf2=λ1λ2(λ1λ2)+ωf2(λ1λ2)=(λ1λ2+ωf2)(λ1λ2)=(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)|M34|=|111λ2λ1(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20|=|λ1(λ1+λ2)λ1ωf20||λ2(λ1+λ2)λ2ωf20|+|λ2λ1λ2ωf2λ1ωf2|=λ10{(λ1+λ2)}(λ1ωf2)[λ20{(λ1+λ2)}(λ2ωf2)]+(λ2)(λ1ωf2)(λ1)(λ2ωf2)=λ12ωf2λ1λ2ωf2+λ1λ2ωf2+λ22ωf2+λ1λ2ωf2λ1λ2ωf2=(λ12+λ22)ωf2=ωf2(λ12λ22)=ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)|A|=a31(1)3+1|M31|+a32(1)3+2|M32|+a33(1)3+3|M33|+a34(1)3+4|M34|=ωf21{λ1(λ22+ωf2)}+ωf21{λ2(λ12+ωf2)}+λ1λ21{(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)}(λ1+λ2)1{ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)}=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ1λ2(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)ωf2(λ1+λ2)2(λ1λ2)=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ13λ22+ωf2λ12λ2+λ12λ23ωf2λ1λ22ωf2λ13ωf2λ12λ2+ωf2λ1λ22+ωf2λ23(A+B)2(AB)=A3+A2BAB2B3=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ13(λ22+ωf2)+λ23(λ12+ωf2)=(ωf2λ1λ13)(λ22+ωf2)+(ωf2λ2+λ23)(λ12+ωf2)=λ1(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)+λ2(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)=(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)

部分分数分解 C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=1|A|[|M31||M32||M33||M34|]=[λ1(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)1λ2(λ12+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)1ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]=[λ1(λ1λ2)(λ12+ωf2)λ2(λ1λ2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf2(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]

部分分数分解 まとめる

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm(C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2)=(C1sλ1+C2sλ2)+Fm(C3sλ1+C4sλ2)+Fm(C5s+C6s2+ωf2)=(x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2)+Fm{λ1(λ1λ2)(λ12+ωf2)sλ1+λ2(λ1λ2)(λ22+ωf2)sλ2}+Fm(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s+ωf2(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s2+ωf2=(x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2)+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)sλ1+λ2(λ12+ωf2)sλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)sωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2

逆ラプラス変換 第1項

γ<ω0(ξ) C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]=C1eλ1t+C2eλ2tL1[1s+a]=eat=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=c2m±(c2m)2(km)2=γ±γ2ω02=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξtaA+B=aAaB=eγt{(x02+v0+γx02ωi)eωit+(x02v0+γx02ωi)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}]=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)isin(ωt)}]cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=eγt[(x02+v0+γx02ωi)cos(ωt)+(x02+v0+γx02ωi)isin(ωt)+(x02v0+γx02ωi)cos(ωt)(x02v0+γx02ωi)isin(ωt)]=eγt[{(x02+v0+γx02ωi)+(x02v0+γx02ωi)}cos(ωt)+{(x02+v0+γx02ωi)(x02v0+γx02ωi)}isin(ωt)]=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωiisin(ωt)}=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}ii=1=eγt{x0cos(ωt)+v0ωsin(ωt)+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt{1ωsin(ωt)}x0v0

逆ラプラス変換 第2項

γ<ω0(ξ) L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)sλ1+λ2(λ12+ωf2)sλ2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)L1[1sλ1]λ2(λ12+ωf2)L1[1sλ2]}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eλ1t(λ12λ2+λ2ωf2)eλ2t}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ,λ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=ω02=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)e(γ+ξ)t(λ12λ2+λ2ωf2)e(γξ)t}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eγteξt(λ12λ2+λ2ωf2)eγteξt}eA+B=eAeB=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eωit(λ12λ2+λ2ωf2)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}[(λ2ω02+λ1ωf2){cos(ωt)+isin(ωt)}(λ1ω02+λ2ωf2){cos(ωt)+isin(ωt)}]eix=cos(ωt)+isin(ωt)=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ2ω02+λ1ωf2)cos(ωt)+(λ2ω02+λ1ωf2)isin(ω0t)(λ1ω02+λ2ωf2)cos(ωt)(λ1ω02+λ2ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ2ω02+λ1ωf2)cos(ωt)+(λ2ω02+λ1ωf2)isin(ωt)(λ1ω02+λ2ωf2)cos(ωt)+(λ1ω02+λ2ωf2)isin(ωt)}cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}[{(λ2ω02+λ1ωf2)(λ1ω02+λ2ωf2)}cos(ωt)+{(λ2ω02+λ1ωf2)+(λ1ω02+λ2ωf2)}isin(ωt)]=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ2)(ω02ωf2)cos(ωt)+(λ1+λ2)(ω02+ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(2ξ)(ω02ωf2)cos(ωt)+(2γ)(ω02+ωf2)isin(ωt)}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2ωi2ωi(ω02ωf2)cos(ωt)+2γ2ωi(ω02+ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}ii=1=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω0ζ21(ω02+ωf2)sin(ωt)}ω=γ2ω02=ω02(γ2ω02ω02ω02)=ω0ζ21,ζ=γω0=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+ζζ21(ω02+ωf2)sin(ωt)}

逆ラプラス変換 第3項

L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)sωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)L1[(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)ss2+ωf2ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)L1[ss2+ωf2]ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{((ω02)ωf2)(2ξ)cos(ωft)ωf(2γ)(2ξ)sin(ωft)}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ,λ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=ω02=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)2ξ2ξcos(ωft)+2γωf2ξ2ξsin(ωft)}=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}

逆ラプラス変換 第1,2,3項

x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}eγtt+v0eγt{1ωsin(ωt)}eγtt+Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}eγtt+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}eγtt

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