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Page 1 FUNDAMENTAL EQUATIONS OF VIBRATIONS Free Vibration of Single-Degree-of-Freedom Systems Equation of Motion: 0 ? ? ? kx x c x m ? ? ? m k n ? ? ; c c c ? ? ; n c m c ? 2 ? ; 2 1 ? ? ? ? ? n d Underdamped Response ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? t Ae t x d t n sin ; ? ? ? ? 2 2 0 2 0 0 d d n x x v A ? ? ?? ? ? ? ; 0 0 0 1 tan x v x n d ?? ? ? ? ? ? Critically Damped Response ? ? ? ? t n e t a a t x ? ? ? ? 2 1 where 0 1 x a ? ; 0 0 2 x v a n ? ? ? Overdamped Response ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t t t n n n e a e a e t x 1 2 1 1 2 2 ? ? ? ? ?? ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a Logarithmic Decrement 1 1 ln 1 ? ? n X X n ? where n is the number of complete cycles and 2 2 4 ? ? ? ? ? ? Harmonically Excited Vibration Equation of Motion: ? ? t F kx x c x m ? ? ? ? ? ? Fixed-Base Harmonic Excitation ? ? t F t F ? cos 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? t X t x cos where ? ? ? ? 2 2 2 0 ? ? c m k F X ? ? ? ; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 tan ? ? ? m k c Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n T c m k c k F F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Page 2 FUNDAMENTAL EQUATIONS OF VIBRATIONS Free Vibration of Single-Degree-of-Freedom Systems Equation of Motion: 0 ? ? ? kx x c x m ? ? ? m k n ? ? ; c c c ? ? ; n c m c ? 2 ? ; 2 1 ? ? ? ? ? n d Underdamped Response ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? t Ae t x d t n sin ; ? ? ? ? 2 2 0 2 0 0 d d n x x v A ? ? ?? ? ? ? ; 0 0 0 1 tan x v x n d ?? ? ? ? ? ? Critically Damped Response ? ? ? ? t n e t a a t x ? ? ? ? 2 1 where 0 1 x a ? ; 0 0 2 x v a n ? ? ? Overdamped Response ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t t t n n n e a e a e t x 1 2 1 1 2 2 ? ? ? ? ?? ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a Logarithmic Decrement 1 1 ln 1 ? ? n X X n ? where n is the number of complete cycles and 2 2 4 ? ? ? ? ? ? Harmonically Excited Vibration Equation of Motion: ? ? t F kx x c x m ? ? ? ? ? ? Fixed-Base Harmonic Excitation ? ? t F t F ? cos 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? t X t x cos where ? ? ? ? 2 2 2 0 ? ? c m k F X ? ? ? ; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 tan ? ? ? m k c Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n T c m k c k F F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Harmonic Excitation due to Base Motion Displacement Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n c m k c k Y X ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n n n T c m k c k kY F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Harmonic Excitation due to Rotating Unbalance ? ? ? ? ? ? ? ? t X t x cos where ? ? ? ? 2 2 2 2 ? ? ? c M k me X ? ? ? ; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 tan ? ? ? M k c Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n T c M k c k me F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Lagrange’s Equation j j j j j Q q V q D q T q T dt d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? where T is the kinetic energy, D the Rayleigh’s dissipation function, V the potential energy, j q the generalized coordinates and j Q the generalized forces. Vibrations of Continuous Systems Wave Equation Solution: ? ? ? ? t D t C c x B c x A t x y ? ? ? ? cos sin cos sin , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Page 3 FUNDAMENTAL EQUATIONS OF VIBRATIONS Free Vibration of Single-Degree-of-Freedom Systems Equation of Motion: 0 ? ? ? kx x c x m ? ? ? m k n ? ? ; c c c ? ? ; n c m c ? 2 ? ; 2 1 ? ? ? ? ? n d Underdamped Response ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? t Ae t x d t n sin ; ? ? ? ? 2 2 0 2 0 0 d d n x x v A ? ? ?? ? ? ? ; 0 0 0 1 tan x v x n d ?? ? ? ? ? ? Critically Damped Response ? ? ? ? t n e t a a t x ? ? ? ? 2 1 where 0 1 x a ? ; 0 0 2 x v a n ? ? ? Overdamped Response ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t t t n n n e a e a e t x 1 2 1 1 2 2 ? ? ? ? ?? ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a ; ? ? 1 2 1 2 0 2 0 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n x v a Logarithmic Decrement 1 1 ln 1 ? ? n X X n ? where n is the number of complete cycles and 2 2 4 ? ? ? ? ? ? Harmonically Excited Vibration Equation of Motion: ? ? t F kx x c x m ? ? ? ? ? ? Fixed-Base Harmonic Excitation ? ? t F t F ? cos 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? t X t x cos where ? ? ? ? 2 2 2 0 ? ? c m k F X ? ? ? ; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 tan ? ? ? m k c Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n T c m k c k F F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Harmonic Excitation due to Base Motion Displacement Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n c m k c k Y X ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n n n T c m k c k kY F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Harmonic Excitation due to Rotating Unbalance ? ? ? ? ? ? ? ? t X t x cos where ? ? ? ? 2 2 2 2 ? ? ? c M k me X ? ? ? ; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 tan ? ? ? M k c Force Transmissibility: ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? n n n T c M k c k me F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Lagrange’s Equation j j j j j Q q V q D q T q T dt d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? where T is the kinetic energy, D the Rayleigh’s dissipation function, V the potential energy, j q the generalized coordinates and j Q the generalized forces. Vibrations of Continuous Systems Wave Equation Solution: ? ? ? ? t D t C c x B c x A t x y ? ? ? ? cos sin cos sin , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Transverse Vibration of Strings or Cables Boundary Conditions: Fixed ? ? 0 , ? t x y ; ? T c ? where ? is mass per unit length Longitudinal Vibration of Bars Boundary Conditions: Fixed ? ? 0 , ? t x u ; Free ? ? 0 , ? ? ? x t x u ; ? E c ? where ? is mass per unit volume Torsional Vibration of Shafts Boundary Conditions: Fixed ? ? 0 , ? t x ? ; Free ? ? 0 , ? ? ? x t x ? ; ? G c ? where ? is mass per unit volume Lateral Vibration of Beams General Solution: ? ? x D x C x B x A t x y ? ? ? ? sin cos sinh cosh , ? ? ? ? Undamped Natural Frequencies: ? ? 4 2 l EI l n n ? ? ? ? where ? is mass per unit length Boundary Conditions: Simply Supported / Pinned ? ? 0 , ? t x y and ? ? 0 , 2 2 ? ? ? x t x y ; Free ? ? 0 , 2 2 ? ? ? x t x y and ? ? 0 , 3 3 ? ? ? x t x y ; Fixed ? ? 0 , ? t x y and ? ? 0 , ? ? ? x t x y . Vibration Control Undamped Dynamic Absorbers Amplitude of Primary Mass: ? ? ? ? ? ? 2 2 2 0 2 a a a a a a k m k m k k F m k X ? ? ? ? ? ? ? ? ? Amplitude of Absorber Mass: ? ? ? ? 2 2 2 0 a a a a a a k m k m k k F k X ? ? ? ? ? ? ? Natural Frequencies: ? ? ? ? ? ? 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 4 2 2 2 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? a n where m m a ? ? , p a ? ? ? ? , a a a m k ? ? and m k p ? ?Read More
1. What are the fundamental principles of vibrations in mechanical engineering? |
2. How do engineers analyze vibrations in mechanical systems? |
3. What are some common sources of vibrations in mechanical systems? |
4. How can engineers mitigate vibrations in mechanical systems? |
5. What are some real-world applications of vibration analysis in mechanical engineering? |
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