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,sin凾数

バネマスダンパー系

運動方程式

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

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmsin(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmωs2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[sin(ωft)]=ωfs2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γsX+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+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

ωf=(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+C60=ωf2C3+ωf2C4+λ1λ2C5(λ1+λ2)C6ωf=λ2ωf2C3λ1ωf2C4+λ1λ2C6 行列とベクトルで表現すると以下のようになる. [000ωf]=[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=[000ωf],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|][000ωf]=ωf|A|[|M41||M42||M43||M44|]Mij:Aij()

|M3|及び|A|の計算

|M41|=|110λ1(λ1+λ2)1ωf2λ1λ2(λ1+λ2)|=|(λ1+λ2)1λ1λ2(λ1+λ2)||λ11ωf2(λ1+λ2)|={(λ1+λ2)}{(λ1+λ2)}1λ1λ2[λ1{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+2λ1λ2+λ22λ1λ2λ12λ1λ2+ωf2=λ22+ωf2|M42|=|110λ2(λ1+λ2)1ωf2λ1λ2(λ1+λ2)|=|(λ1+λ2)1λ1λ2(λ1+λ2)||λ21ωf2(λ1+λ2)|={(λ1+λ2)}{(λ1+λ2)}1λ1λ2[λ2{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+2λ1λ2+λ22λ1λ2λ1λ2λ22+ωf2=λ12+ωf2|M43|=|110λ2λ11ωf2ωf2(λ1+λ2)|=|λ11ωf2(λ1+λ2)||λ21ωf2(λ1+λ2)|=λ1{(λ1+λ2)}1ωf2[λ2{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+λ1λ2ωf2λ1λ2λ22+ωf=λ12λ22=(λ1+λ2)(λ1λ2)|M44|=|111λ2λ1(λ1+λ2)ωf2ωf2λ1λ2|=|λ1(λ1+λ2)ωf2λ1λ2||λ2(λ1+λ2)ωf2λ1λ2|+|λ2λ1ωf2ωf2|=λ1λ1λ2{(λ1+λ2)}ωf2[λ2λ1λ2{(λ1+λ2)}ωf2]+(λ2)ωf2(λ1)ωf2=λ12λ2+λ1ωf2+λ2ωf2+λ1λ22λ1ωf2λ2ωf2λ2ωf2+λ1ωf2=λ12λ2+λ1λ22λ2ωf2+λ1ωf2=λ1λ2(λ1λ2)+(λ1λ2)ωf2=(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)|A|=a41(1)4+1|M41|+a42(1)4+2|M42|+a43(1)4+3|M43|+a44(1)4+4|M44|=λ2ωf21{(λ22+ωf2)}λ1ωf21{(λ12+ωf2)}+01{(λ12λ22)}+λ1λ21{(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)}=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)+λ1λ2{(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)}=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)+λ1λ2(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)+λ1λ2ωf2(λ1λ2)=λ2ωf2(λ22+ωf2+λ12)λ1ωf2(λ12+ωf2+λ22)λ12λ22(λ1λ2)=(λ2ωf2λ1ωf2)(λ12+λ22+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)=ωf2(λ1λ2)(λ12+λ22+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)=(λ1λ2)(ωf2(λ12+λ22+ωf2)+λ12λ22)=(λ1λ2)(λ12ωf2+λ22ωf2+ωf4+λ12λ22)=(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)

部分分数分解 C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=ωf|A|[|M41||M42||M43||M44|]=ωf[(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1+λ2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]=[ωf(λ1λ2)(λ12+ωf2)ωf(λ1λ2)(λ22+ωf2)ωf(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf(λ1λ2ωf2)(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(ωf(λ1λ2)(λ12+ωf2)sλ1+ωf(λ1λ2)(λ22+ωf2)sλ2)+Fm(ωf(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s2+ωf2)={x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ22+ωf2)sλ1+ωf(λ12+ωf2)sλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2

λに関する幾つかの式を先に計算しておく

λ1,2=γ±γ2ω02=γ±ξω=|γ2ω02|ξ=ωi(γ<ω0)ω2=(γ2ω02)=ω02γ2λ1+λ2=(γ+ξ)+(γξ)=2γλ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=2ξλ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=γ2ξ2λ12=(γ+ξ)2=(γ)2+2(γ)ξ+ξ2=γ22γξ+ξ2=(γξ)2λ22=(γξ)2=(γ)22(γ)ξ+ξ2=γ2+2γξ+ξ2=(γ+ξ)2λ12+λ22=(γ22γξ+ξ2)+(γ2+2γξ+ξ2)=2(γ2+ξ2)λ22λ12=(γ2+2γξ+ξ2)(γ22γξ+ξ2)=4γξ(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)=λ12λ22+(λ12+λ22)ωf2+ωf4=(γξ)2(γ+ξ)2+2(γ2+ξ2)ωf2+ωf4={(γξ)(γ+ξ)}2+2γ2ωf2+2ξ2ωf2+ωf4=(γ2ξ2)2+2γ2ωf2+2(γ2ω02)ωf2+ωf4=(ω02)2+2γ2ωf2+2γ2ωf22ω02ωf2+ωf4=ω04+4γ2ωf22ω02ωf2+ωf4=(2γωf)+(ω02ωf2)2

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){ωf(λ22+ωf2)sλ1+ωf(λ12+ωf2)sλ2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ22+ωf2)L1[1sλ1]ωf(λ12+ωf2)L1[1sλ2]}=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(ωfλ22+ωf3)eλ1t(ωfλ12+ωf3)eλ2t}=Fm12ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)e(γ+ωi)t(ωfλ12+ωf3)e(γωi)t}=Fm12ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)eγteωit(ωfλ12+ωf3)eγteωit}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)eωit(ωfλ12+ωf3)eωit}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))(ωfλ12+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))(ωfλ12+ωf3)(cos(ωt)isin(ωt))}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)cos(ωt)+(ωfλ22+ωf3)isin(ωt)(ωfλ12+ωf3)cos(ωt)+(ωfλ12+ωf3)isin(ωt)}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[{(ωfλ22+ωf3)(ωfλ12+ωf3)}cos(ωt)+{(ωfλ22+ωf3)+(ωfλ12+ωf3)}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[ωf{(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)}cos(ωt)+ωf{(λ22+ωf2)+(λ12+ωf2)}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{ωf(λ22λ12)cos(ωt)+ωf(λ12+λ22+2ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[4γωfcos(ωt)+ωf{2(γ2+ξ2)+2ωf2}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[ωf(4γξ)cos(ωt)+2ωfi{(γ2+ξ2)+ωf2}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[4γωfξ2ξcos(ωt)+2ωfi2ξ{γ2(γ2ω02)+ωf2}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωt)+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[2γωfcos(ωt)+ωfiωi{2γ2(ω02ωf2)}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[2γωfcos(ωt)+ωfω{2γ2(ω02ωf2)}sin(ωt)]

逆ラプラス変換 第3項

L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)L1[ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)ss2+ωf2+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)L1[ss2+ωf2]+(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fm1(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)L1[ss2+ωf2]+(λ1λ2ωf2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2{ωf(2γ)cos(ωft)+{(ω02)ωf2}sin(ωft)}λ1+λ2=2γλ1λ2=2ξ=2ωi(ω=|γ2ω02|,γ<ω0)λ1λ2=γ2ξ2=γ2(ωi)2=γ2+ω2=ω02=Fm1(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(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(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2(ω02ωf2))sin(ωt)}eγtt+Fm1(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}eγtt

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