变曲率FGM拱的面内自由振动分析EI北大核心CSCD

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

圆弧拱平面外弹性弯扭屈曲临界荷载分析

该文从采用经典平衡理论推导了双轴对称纯压、纯弯圆弧拱的平面外弯扭屈曲方程,给出了两铰圆弧拱的平面外屈曲荷载解析解,其中考虑了截面翘曲刚度、荷载作用位置等参数的影响。推导中进行适当的近似,使过程更加简化和直观。对3 种不同形式均布径向荷载的情况进行了讨论,并与有限元结果进行了对比。研究表明,3 种均布径向荷载中以静水压力作用下屈曲荷载最高,该文提出的双轴对称截面纯压、纯弯两铰圆弧拱的平面外屈曲荷载解析解与有限元数值解吻合良好。     

T型截面拱在拱顶集中力作用下的平面外弯扭失稳

该文以在拱顶径向集中力作用下T型截面两端铰接圆弧拱为研究对象,考虑了剪切变形的影响,推导了适用于单轴对称截面的应变与位移函数关系。求解了拱屈曲前精确的内力。再根据势能驻值原理和RayleighRitz法推导了T型截面圆弧拱弯扭屈曲荷载解析解,并与有限元数值结果进行了比较,二者吻合较好,证明了理论解的正确性。研究发现,单轴对称参数β_x对弯扭屈曲荷载的影响明显,且剪切变形对较浅的拱影响较为明显。     

非圆弧拱面内自由振动实用解析

针对非圆弧拱面内线性自由振动没有解析的现状,提出了一种变系数平衡微分方程近似解析方法来解决该问题。基于笛卡尔直角坐标系下非圆弧拱线性应变与Hamilton原理,推演了非圆弧拱面内自由振动变系数平衡微分方程;基于陡拱与浅拱面内振型没有显著差异的基本假定,将该变系数平衡微分方程对应的常系数平衡微分方程的通解,代入变系数平衡微分方程,得到该变系数平衡微分方程的不平衡差;当该不平衡差沿全拱积分为零时自振频率误差最小,进而得到非圆弧拱面内自振频率高精度实用解析。基于所提出的变系数平衡微分方程近似解析方法,推演了非圆弧两铰拱与无铰拱面内自振频率实用解析,并阐明了非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的逻辑关系。抛物线、悬索线、悬链线与组合线等常用非圆弧两铰拱与无铰拱自由振动算例结果表明：该研究的基本假定得到了严格检验;自振频率与有限元结果吻合较好,非圆弧拱前十阶自振频率中,两铰拱自振频率最大相对误差为7.71%,无铰拱自振频率最大相对误差为4.34%;非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的比例系数,可为行业规范条文修订提供参考。     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

轴向力对轴系弯扭耦合振动特性的影响

当轴系的截面质心和剪切中心不一致时,将会产生弯扭耦合振动.轴系轴向受力后,等效扭转刚度和弯曲刚度等参数都会有所改变,因而对轴系弯扭耦合振动特性也将有所变化,从而可能对轴系的安全运行产生影响.建立了一个集中参数的当量力学模型,推导了附加了轴向力后轴系的弯曲振动以及弯扭耦合振动的传递矩阵.通过对轴系的弯扭耦合振动特性进行分析计算,得到了一系列关于轴向力对轴系弯扭耦合振动的影响规律,这些规律对旋转轴系的结构设计具有一定的意义.     

含偏心高层建筑风致弯扭耦合振动研究

摘 要 针对偏心高层建筑风致弯扭振动问题,采用Euler-Bernoulli梁模型,选择建筑截面刚度中心为参考坐标原点,坐标x轴平行于风向角,按照双向弯扭耦合振动理论,求取振型和自振频率;然后以随机振动理论为基础,发展了连续梁模型的三维风振理论,给出了风致弯扭耦合振动时顶层角点加速度响应表达式。针对具体算例,结合实际风洞试验拟合数据,运用本文方法进行计算,并与原文献计算结果比较,分析了误差来源;并研究了刚度中心、质心偏离对建筑自振频率、顶层角点加速度响应的影响。     

自然弯扭梁的耦合振动分析

以空间曲梁理论为基础对具有一般横截面形状自然弯扭梁的耦合振动特性进行了研究,分析中包括了转动惯量、横向剪切变形以及和扭转有关的翘曲对振动的影响.通过对数学计算软件MATHEMATICA的精确运用可以得到该梁振型的解析表达式,精确的固有频率则可用搜索的方法来确定.为了证明理论的有效性,对两端固支椭圆截面曲梁的固有频率和振型进行了求解,并把数值计算结果同PATRAN梁单元的有限元结果进行了比较.     

一种新的集成非线性杆件单元刚度矩阵的方法

对于非线性杆件单元,本文提出一种新的简便有效的集成单元刚度矩阵的算法。该方法直接从结构力学中的位移法的概念出发,通过解析积分或数值积分求解积分算子,由积分算子线性组合,能快速求解考虑弯、剪、扭、轴压等各种非线形刚度的杆件单元的刚度矩阵。该方法具有广泛的普适性,能适用于所有多项式、插值多项式、解析式、离散点描述的变刚度、变截面直杆的单元刚度矩阵集成计算。文中通过求解线性直杆单元刚度矩阵验证了该方法的正确性。     

钢管混凝土哑铃形截面拱空间受力性能试验研究

进行了钢管混凝土哑铃形拱的面外受力性能试验,与钢管混凝土单圆管拱的面外试验进行了对比,采用经试验验证的有限元模型进行了面外极限承载力的参数分析。研究结果表明:模型拱面内以受压为主,而面外则是以跨中受面外弯矩为主,模型拱最后发生了整体面外失稳破坏,破坏时在跨中与拱脚截面材料进入塑性;模型拱的受力状态中,面外弯矩所占比重最大,约为71%~78%;其面外极限承载力小于面内极限承载力,下降的幅度与面内外荷载比、面外刚度以及截面类型有关;腹腔高度和宽度的增大引起哑铃形截面刚度和极限承载力增大,腹腔高度增大33%或宽度增大50%,模型拱的面外承载力增加约11%~17%或10%~14%;钢管混凝土哑铃形截面拱面外承载力计算方法的构筑中面外抗弯刚度是决定性参数,同时要综合考虑面内抗弯刚度和抗扭刚度的影响;而分支屈曲荷载与极限承载力的比值分析表明,实际工程中钢管混凝土哑铃形截面拱面外屈曲系数大于4是有安全保障的。     

单轴对称截面圆弧拱平面外稳定性研究

根据变分原理推导了任意开口薄壁截面曲梁的稳定平衡方程。单轴对称截面圆弧拱在均布径向荷载(均匀受压)或两端作用大小相等、方向相反的端弯矩(均匀弯曲)作用下,平衡方程中曲率平面内的变形和曲率平面外的变形相互独立,故要么发生曲率平面内弯曲失稳,要么发生曲率平面外的弯扭失稳。给出单轴对称截面圆弧拱在这两种受力情况下平面外屈曲荷载的理论解答。通过一些无碍结果的近似使所得公式形式简洁,便于在工程中应用。最后给出了计算实例,与已有的文献进行比较,并使用通用有限元软件ANSYS 进行了模拟,分析结果与该文计算结果吻合,证明了所得公式的正确性。     

变截面变曲率梁振型的有限元超收敛拼片恢复解和网格自适应分析

该文提出变截面变曲率梁振型的有限元后处理超收敛拼片恢复方法,建立各阶振型的超收敛解,并基于振型超收敛解进行变截面曲梁面内和面外自由振动的自适应分析。在位移型有限元后处理阶段,引入超收敛拼片恢复方法和高阶形函数插值技术,得到振型(位移)的超收敛解。利用振型超收敛解估计当前网格下振型有限元解的能量模形式下的误差,并指导网格进行自适应细分加密分析,获得优化的网格和满足预设误差限的高精度解答。数值算例表明该算法适于求解不同曲线形态、多类边界条件、变截面、变曲率形式的曲梁面内和面外自由振动连续阶频率和振型,解答精确、分析过程高效可靠。     

变截面圆拱的自由振动

本文应用传递矩阵法研究了变截面圆拱的自由振动。用解析法推导了等截面圆拱单元的精确传递矩阵,再应用传递矩阵原理建立变截面圆供自由振动的特征方程。该法具有计算简单、节约内存的优点,可方便地用于实际结构计算和设计。     

含多裂纹损伤圆弧曲梁自由振动扰动的有限元网格自适应分析

该文建立圆弧形曲梁裂纹的截面损伤缺陷比拟方案,实施微裂纹损伤诱发截面弱化,实现多裂纹深度、位置、数目的模拟。引入变截面Timoshenko梁的h型有限元网格自适应分析方法,求解含裂纹损伤圆弧曲梁自由振动问题,得到优化的网格和满足预设误差限的高精度自振频率和振型解答,研究多裂纹损伤对圆弧曲梁振型的扰动行为。数值算例表明,该算法中网格非均匀加密可适应裂纹损伤引起的振型变化,应用于各类曲梁夹角和裂纹损伤分布工况下的自由振动研究,定量分析了多裂纹损伤深度、数目、分布对圆弧曲梁自振频率和振型的扰动影响,检验了该文算法的精确性和实用性。     

Timoshenko薄壁湾弯扭耦合振动的动态传递矩阵法

通过直接求解单对称均匀Timoshenko薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动偏微分方程,导出了其自由振动时的动态传递矩阵,同时采用结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,并讨论了剪切变形和转动惯量对弯扭耦合Timoshenko薄壁梁的固有频率的影响。数值结果验证了本文方法在其适用范围内的精确性和有效性。     

Timoshenko薄壁梁弯扭耦合振动的动态传递矩阵法

通过直接求解单对称均匀Timoshenko薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动偏微分方程,导出了其自由振动时的动态传递矩阵,同时采用结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,并讨论了剪切变形和转动惯量对弯扭耦合Timoshenko薄壁梁的固有频率的影响.数值结果验证了本文方法在其适用范围内的精确性和有效性.     

动力刚度法求解平面曲梁面外自由振动问题

该文将动力刚度法应用于平面曲梁面外自由振动的分析。通过建立单元动力刚度所满足的常微分方程边值问题,用具有自适应求解功能的常微分方程求解器COLSYS 进行求解,获得单元动力刚度的数值精确解。以COLSYS 求解单元动力刚度的网格作为单元上固端频率计数求解的子网格,由单元动力刚度的边值问题解答线性组合出该子网格下各子单元的动力刚度,由Wittrick-Williams 算法获得单元固端频率的计数。从而实现整体结构的Wittrick-Williams频率计数。通过建立单元动力刚度对频率的导数所满足的常微分方程边值问题,调用COLSYS求其数值精确解,并将其引入导护型牛顿法,可迅速求得结构精确的频率和振型。数值算例表明,该文方法准确、可靠、有效。     

自然弯扭梁的耦合振动特性分析

以自然弯扭梁理论为基础对具有一般横截面形状空间曲梁的耦合振动特性进行了研究。 在该梁的运动控制方程中,位移函数和广义翘曲坐标均被定义在形心轴上,且在分析中包括了转动惯量、横向剪切变形以及和扭转有关的翘曲对振动的影响。通过对数学计算软件MATHEMATICA的精确运用可以得到该梁振型的解析表达式,精确的固有频率则可用搜索的方法来确定。为了证明理论的有效性,对两端固支椭圆截面曲梁的固有频率和振型进行了求解,并把数值计算结果同使用PATRAN梁单元的有限元结果进行了比较。     

单向复合材料矩形截面非圆柱螺旋弹簧固有频率的参数研究

以各向异性自然弯扭梁理论为基础,首次导出了考虑簧丝截面翘曲变形的单向复合材料矩形截面非圆柱（锥形、双曲形和桶形）螺旋弹簧的运动微分方程,它们由14个变系数的一阶偏微分方程组成。同时得到了单向复合材料矩形截面杆件扭转翘曲函数的显式表达式。弹簧的固有频率和振动模态可以使用改进的Riccati传递矩阵法确定,单元传递矩阵则采用Scaling-Squaring方法以及Pad´e 逼近表达式进行计算。数值结果表明,对于单向复合材料矩形截面的非圆柱螺旋弹簧,翘曲变形对其固有频率有着重大的影响,在自由振动分析中必须加以考虑。最后研究了各种设计参数对单向复合材料矩形截面锥形弹簧固有频率的影响。