用Timoshenko梁修正理论研究功能梯度材料梁的动力响应

采用Timoshenko梁修正理论研究了功能梯度材料梁的动力响应问题,利用静力方程确定了功能梯度材料梁的中性轴位置,在此基础上应用Timoshenko梁修正理论建立了功能梯度材料梁的振动方程,求得其自振频率表达式及其在简谐荷载作用下强迫振动的解析解。讨论分析了中性面位置、梯度指数等因素对功能梯度材料梁的动力响应的影响,并用有限元法验证了Timoshenko梁修正理论。通过实例计算,得到了中性轴位置对功能梯度材料梁动力响应有较大影响的结论。     

任意跨弹性支承直梁横向自振的一个新解法

本文给出了任意跨弹性支承(包括扭转弹性支承)直梁横向自由振动的一个新解析解法,将弹性支承反力看作是作用于梁上的未知外力,求得了直梁横向受迫振动响应的解析解,由边界条件确定待定的积分常数,利用支承处支承反力与梁位移间的线性关系导出频率方程,频率方程是以阶数等于弹性支承个数的行列式表示的,振型函数则以统一的解析式表示,刚性支承是本文特例。本文具体导出了几种常见边界条件下的频率方程,最后给出了一个算例。     

含裂纹悬臂输流管道颤振分析

基于适用于含非材料体（non-material volumes）系统的Lagrange方程,采用由无裂纹悬臂梁的模态函数加入分段立方多项式构造的裂纹梁的模态函数,推导出了含裂纹的悬臂输流管道的线性运动方程,最后用Matlab编程进行了数值计算,研究裂纹参数对悬臂输流管道动力特性和颤振特性的影响。结果表明：当固支端附近出现裂纹时,输流管道的颤振临界流速将减小,越靠近固支端,颤振临界流速减小的越多。且随着裂纹深度增加颤振临界流速降低的更加明显。但裂纹离固支端一定位置后时,裂纹的出现将会增大管道的临界流速。另外,裂纹的出现还将导致悬臂输流管道颤振阶数的改变。     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

附带有考虑集中质量的转动惯性的梁固有振动分析

研究梁附带集中质量时系统的横向弯曲自由振动,分析过程中同时考虑集中质量的平(移)动和转动惯性。探讨了梁的固有频率相对集中质量位置的一阶导数计算问题,并得到了正确的灵敏度计算公式。数值计算结果表明:集中质量的转动惯性对梁的频率、振型以及灵敏度都有很大的影响。当集中质量的转动惯性较大时,忽略其影响对梁的振动分析可能带来很大的误差。     

机翼跨音速风洞颤振试验模型的计算分析

以某民机机翼跨音速颤振模型为研究对象,采用N-S方程求解固定边界流场的气动力,简化的跨音速小扰动方程求解运动边界流场的气动力,结合结构动力学的模态分析结果进行颤振特性分析。模型风洞试验前完成所有计算工作,试验后通过比较表明,计算结果与试验结果吻合:(1)颤振频率一致;(2)颤振速度随马赫数的变化趋势一致;(3)跨音速凹坑的底部位置一致;(4)颤振速度的偏差最大不超过10%,且在马赫数0.60和0.70处,偏差1%。由此可见该计算方法的计算精度高,可用于风洞试验结果的预判,提升风洞试验结果的可信度和风洞试验的效率,也可作为民机适航符合性验证的一种手段。     

大跨铁路斜拉桥模态特性研究

建立了大跨铁路斜拉桥的三维有限元整桥模型。利用子空间迭代法求解无阻尼自由振动的特征方程。分析计算了整桥频率和有车频率及其振型的变化趋势,模拟计算结果显示各阶有车整桥频率低于相应的无车整桥频率,并且振型也由整桥无车时,垂直面与水平面两个独立平面的振动,演变成有车时,竖向挠曲与横向弯扭的空间藕合,研究了不同停车位置和不同列车长度对斜拉桥的自振频率的影响,随着停车位置的变化,有车整桥频率发生波动,列车进桥、出桥时,整桥频率分别单调下降、上升;列车停于桥中和桥塔处,整桥频率出现驻值点,随着拖车数目的变化,有车整桥频率亦发生变化,一般趋势是:随着拖车数目的增加各阶有车整桥频率将会降低,而其变化趋势不受拖车数目影响。     

基于摄动法的多条裂纹欧拉梁特征模态分析

基于摄动理论推导了带多条开口裂纹的欧拉梁的特征模态参数的理论计算公式。采用最直接的方式将梁开口裂纹模拟成梁微段内的横截面折减并用δ函数表达了带开口裂纹的梁沿轴线的截面惯矩和线质量等物理参数。基于此,建立了裂纹梁动力微分方程,并采用一阶摄动理论推导得到了梁的模态频率和振型计算公式。简支梁及悬臂梁算例研究表明,该方法具有很好的精度,与有限元模拟结果及实验结果都能很好地吻合。并采用此方法分析了裂纹深度和位置对带多条开口裂纹梁的特征模态参数的影响。结果表明,裂纹对各阶模态频率虽然影响有限,但其引起的各阶频率变化有着明显的模式,可用于结构损伤定位;裂纹对模态振型影响不明显,但对模态曲率影响比较大,可用于结构损伤位置和程度的诊断。     

轴向周期激励下含脉动流体的简支管道横向振动的稳定性分析

研究了轴向周期外激励对含有脉动流体的两端简支输流管道横向振动稳定性的影响。基于经典流固耦合方程,采用了二阶Galerkin 方法对其进行求解,用解的收敛性作为稳定判据求取了管道横向振动的稳定性方程。研究结果表明,在管道某一失稳频率下,当管道受到相应频率的轴向激励且其激励幅在一定限度内时,该激励可以改善简支脉动输流管道横向振动的稳定性;当激励幅超过一定限度,系统的稳定性开始恶化;当轴向周期激励频率远离该失稳频率时,对该失稳频率附近管道的稳定性不产生明显影响。     

张弦梁结构振动方法索力识别(Ⅰ): 振动特性的参数分析

以构造形式简单且应用广泛的张弦梁结构为研究对象,对大跨度索屋盖结构中索的索力识别方法进行了初步研究.首先通过分析张弦梁结构的受力特点,提出了张弦梁结构下弦边索段的振动分析模型,分析此模型得到边索段的自由振动方程隐式解答,该解答反映了索力与频率、抗弯刚度及边界条件等之间的相关关系.然后通过引入一组能够反映抗弯刚度及支承条件对结构振动特性影响的无量纲参数,并利用非线性数值计算,分析了抗弯刚度及支承条件对拉索结构自振特性的影响规律,得出若干有益结论.在以上工作基础上,提出了索力识别的初步模型,可为该种结构仅利用频率测试索力提供参考.     

Surface effect on dynamic stability of microcantilevers on an elastic foundation under a subtangential follower force

For micro/nano structures, surface elasticity, surface stress and surface mass strongly affect mechanical behaviors of 1D beam-columns. This article studies dynamic stability of microcantilevers on an elastic foundation or embedded in an elastic matrix when subjected to a subtangential follower force, where the surface effects are taken into account. An exact characteristic equation is derived for clamped–free end supports. For differential tangency coefficients, the force–frequency interaction diagram is displayed and the influences of surface elasticity modulus, residual surface tension, surface mass and the elastic foundation are analyzed for conservative and non-conservative compressive forces. When the tangency coefficient vanishes, a cantilever column subjected to a conservative tip force is reduced, and conventional Euler buckling for a compressive axial load is recovered. When the tangency coefficient does not vanish, a generalized Beck’s column with the surface effects is tackled. When the tangency coefficient exceeds certain critical value, flutter instability take places. For a fixed frequency, the critical divergency and flutter loads as a function of the tangency coefficient are given for various surface influences from residual surface tension, surface elasticity, surface mass and the stiffness of the elastic foundation. The boundary map of stability, divergence and flutter domain is shown.     

端部约束悬臂输流管道的动力学特性

根据梁模型横向弯曲振动模态函数一般表达式,由边界约束条件确定其模态函数的一般表达式,采用Galerkin法将运动方程在模态空间内展开,利用动力学分析方法,分析端部受线性弹簧支承和扭转弹簧约束的端部约束悬臂管道从非保守系统逐渐变为保守系统过程中的固有特性和稳定性。数值仿真结果表明,这种特殊边界输流管道具有复杂变化的动力学特性,支承和约束刚度系数的变化对系统固有特性和稳定性产生很大的影响:随着弹簧刚度的增大,系统的固有频率上升,管道失稳方式从颤振变为屈曲,并且影响系统其他参数对管道动力学特性的作用。     

气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振影响的试验研究

跨音速颤振试验通常在稳定的理想流场中进行,不考虑实际非稳定流场的气动扰流对颤振特性的影响。在飞机T型尾翼跨音速颤振试验中,通过设置一种气动扰流装置对风洞流场实施干扰以研究气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振特性的影响。试验结果表明,气动扰流可以将飞机T型尾翼的颤振耦合模态从平尾弯扭耦合型改变为垂尾弯扭耦合型;可显著降低飞机T型尾翼的颤振动压,翼面外气动扰流较翼面内气动扰流对飞机T尾颤振特性的影响作用大。其原因在于施加的气动扰流所诱导产生的跨音速激波作用在垂尾翼面上改变了垂尾的非定常气动力,引起气动刚度和气动阻尼发生改变,由于平尾的气动阻尼相对较大,可以预计,一旦气动扰流引起垂尾的气动阻尼迅速减小到其临界颤振阻尼,则会引起垂尾弯扭耦合颤振型先于平尾弯扭耦合颤振型发生,从而表现出T尾颤振动压的降低。在颤振模型风洞试验中,当风洞试验结果与期望不一致时,需要研究气动扰流的影响。     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。     

Stability of non-trivial equilibrium paths of beams on a partially visco-elastic foundation

We consider a cantilever beam partially resting on a linear visco-elastic foundation of generalized Winkler type. The length and placement of the partial foundation are variable. The beam is subjected to a sub-tangential force at its unconstrained end. The stability of some of its non-trivial equilibrium configurations is investigated by a numerical procedure based on a finite differences technique. The critical boundaries of buckling and flutter are found; it turns out that the critical conditions for both static and dynamic instability depend on some physical parameters, and interactions between the boundaries of the domains of stability appear.     

错位转换高层建筑结构竖向地震作用下的抗震性能研究

关于错位转换高层建筑结构在竖向地震作用下的动力特性和受力特性的研究目前还鲜有文献,本文采用Sap2000V9有限元程序对一实际带错位转换高层结构竖向动力特性和动力反应进行了分析研究。研究了竖向振型数对上、下部转换梁内力和主要竖向受力构件轴力的影响;用反应谱法和时程分析法计算了竖向加速度、竖向层间位移及竖向动应变,分析了上部、下部转换梁梁端点及梁托柱点所在位置节点动力反应随楼层变化情况,并将转换梁端点的反应和梁托柱的反应进行了对比分析研究。还计算了上、下部转换层梁托柱、承托墙肢、框支剪力墙、框支柱等的轴力,并将其与重力荷载代表值下轴力比值进行了对比研究。研究分析表明,竖向基本振型对构件内力起主要作用,竖向第5阶以上振型对转换梁和各竖向主要构件轴力影响很小;梁托柱点竖向位移、竖向加速度远大于其梁端点的反应;上、下部转换梁端点处竖向构件竖向应变在转换层上一层发生突变;同时会使两错位转换层之间楼层竖向构件竖向应变局部增大;楼层越高,其相应竖向构件的反应谱法与重力荷载代表值、时程均值与重力荷载代表值内力比值就越大;竖向地震作用下承托墙肢顶部一层和框支剪力墙底部三层轴力会发生突变。     

热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究两端夹紧、一端夹紧一端简支、两端简支三种不同边界条件下的轴向运动功能梯度材料(FGM)梁在热冲击载荷作用下的自由振动响应。利用Hamilton原理推导热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动控制微分方程,并采用分离变量法求解一维热传导方程。通过微分求积法(DQM)在梁的长度方向进行离散,将原方程转化为四阶广义特征值问题,求解FGM梁自由振动的无量纲固有频率并进行特性分析。考虑了不同热冲击载荷,不同梯度指数和不同轴向运动无量纲速度对FGM梁自振频率的影响。结果表明:热冲击载荷越大,对降低FGM梁的固有频率的效果越明显;在轴向运动速度和热流输入不改变的情况下,逐渐增大材料梯度指数会使FGM梁的固有频率随之减小;FGM梁对热冲击短时间内有减缓作用,相对于均匀材料一阶失稳所需时间更长,受到热冲击的FGM梁在轴向运动时也更快达到失稳状态。     

矩形薄板在随从力作用下的动力稳定性分析

本文用Levy法和有限差分法相结合,研究了两对边简支、另两对边为三种典型支承任意组合的六种弹性矩形薄板在切向均布随从力作用下的动力稳定性问题.通过数值计算,给出各种支承板的失稳形式及相应的临界载荷,并分析了泊松比、板的边长比对板的失稳形式及临界载荷的影响.     

Dynamic stability behavior of damped laminated beam subjected to uniformly distributed subtangential forces

The dynamic stability behavior of damped laminated beam with various boundary conditions subjected to the uniformly distributed subtangential forces is investigated using the finite element formulation. The formal engineering approach of the mechanics for the thin-walled laminated beam based on kinematic assumptions consistent with Vlasov beam theory is used. An extended Hamilton’s principle is employed to obtain the mass-, damping-, elastic stiffness-, geometric stiffness matrices, and the load correction stiffness matrix due to the subtangential forces, respectively. The method for the evaluation of critical values for divergence and flutter of the nonconservative systems is briefly introduced in case of considering and neglecting damping effects. Throughout numerical examples, the influence of various parameters on the dynamic stability behavior of the nonconservative laminated beam is newly investigated: (1) the variation of the divergence and flutter loads due to the nonconservativeness with respect to the fiber orientation, (2) the effect of boundary condition on the instability region of the divergence-flutter system, and (3) the influence of external and internal damping on the flutter load.     

中低频集中质量悬臂式簧片仪基频分析方法研究

簧片仪是一种中低频冲击响应谱测量装置,设计时可将其简化为端部附带集中质量的悬臂梁。簧片仪的振型方程中存在超越函数,对于等截面簧片仪来说,可使用二分法等数值方法求解,计算量较大,该方法不适用于复杂截面簧片仪基频设计。首先利用悬臂梁自由端受集中力的挠度公式,推导出其等效刚度等效单自由度的弹簧振子系统,利用弹簧振子相关频率公式解决求解集中质量等截面悬臂梁的基频问题,该方法与振型方程求解的基频对比,发现在10 Hz以下的中低频区域,可以很好的保证等截面悬臂梁的基频精度,大于10 Hz的中频段,误差随频率的升高而迅速增大。接下来,通过Mohr积分的方法,推导出等强度集中质量悬臂梁自由端的最大挠度,并给出其基频的设计公式,该方法与试验进行对比,发现误差与等截面悬臂梁有相同趋势,因此利用瑞利能量法修正设计公式中的质量参数,修正后与实验误差在5%左右。经理论与试验验证,所提出的簧片仪设计方法简单可行、计算结果可信。