深水环境下隔水管的横向自由振动分析

隔水管是海洋钻井工程中的必要设备。在深水环境下,隔水管的疲劳失效问题普遍存在,隔水管的强烈振动是导致其失效的主要原因之一。本文采用微元法,得到了隔水管在各种载荷作用下的横向振动规律及其横向振动的固有频率的分布规律,进一步分析了各种因素对隔水管横向振动固有频率的影响。结果表明:隔水管的长度增加时,固有频率减小;随着顶部张力比的增加,隔水管的横向振动的固有频率也增加;随着壁厚的增加,隔水管横向振动的固有频率逐渐降低;而随着钻井液密度的增加,隔水管横向振动的固有频率增加;海水的存在使隔水管的横向振动固有频率降低。该研究有利于避免隔水管在使用过程中出现强烈的共振现象,为减小隔水管的失效提供了理论依据。     

石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板的振动分析

本文应用考虑了横向剪切变形的有限元法及阻尼单元模型对石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板进行振动分析,求出其固有频率、振型和阻尼值。讨论了理论计算和实验的结果。本文还讨论了改变石墨纤维在此类板中的含量对有效弯曲模量及振动模态参数(固有频率、振型及阻尼值)的影响。     

约束阻尼层合板的稳态响应

基于Reddy分层理论推导出约束阻尼层合板的稳态振动方程,得到了约束阻尼层合板的振动频率和损耗因子;分别分析了约束阻尼层合板的粘弹性夹层厚度、模量对固有频率和损耗因子的影响;得到了稳态振动时振幅和频率曲线以及横向应力与面内应力。数值计算结果表明所采用的算法是可靠的。     

考虑横向拉伸的FGM夹层双曲扁壳自由振动分析

在双曲正弦高阶剪切变形理论的基础上,针对横向位移增加厚度坐标的幂函数项,考虑了横向拉伸的影响,研究了简支条件下功能梯度夹层双曲扁壳的自由振动。基于Hamilton原理推导出了其动力学模型,利用Navier方法计算了表层是功能梯度材料,芯层是匀质材料的双曲扁壳的量纲为一的固有频率,并与已有结果进行了比较。分析了功能梯度材料性质梯度变化指数、芯层厚度、长厚比、曲率半径与厚度比对量纲为一的固有频率的影响。结果表明:与已有结果比较,基于考虑横向拉伸影响的正弦剪切变形理论,功能梯度夹层双曲扁壳对量纲为一的固有频率的计算结果是准确的;量纲为一的固有频率随着材料性质梯度变化指数的增加而单调减小,随着长厚比的增加而单调增加,随着芯层厚度的增加而单调增加。     

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

螺旋式输液管道振动的有限元法分析

本文采用有限元法分析螺旋式输液管道流固耦合振动。基于哈密顿变分式推导了单元质量矩阵、刚度矩阵及科里奥利力引起的阻尼矩阵,讨论了不同的流体速度、边界条件及螺距角对输液管固有频率的影响。文内还提出用于非经典非对称阻尼系统的双边里兹向量方法,并给出该方法与HQR法在计算精度与计算时间上的比较。     

气体钻井钻柱气固耦合横向振动的数学建模与求解

建立了考虑气体钻井液对钻柱内外耦合影响时的钻柱横向振动模型,包含了钻柱轴力、钻柱内注入压力、环空压力以及钻柱内气体对钻柱振动的影响;求解了钻柱振动方程,并分析了钻柱横向振动固有频率。研究表明注入物质的流动速度对钻柱的横向振动固有频率影响很大,流动速度达到一定程度时对钻柱的稳定性有较大影响,可能诱发钻柱弯曲失稳。     

功能梯度变截面梁自由振动和稳定性研究

基于忽略了梁截面剪切变形和转动惯量效应的Euler-Bernoulli梁理论,研究了轴向力作用下轴向功能梯度变截面梁的横向自由振动问题,将轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率和临界荷载的计算转化为变系数常微分方程特征值问题。运用插值矩阵法可一次性计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率和临界荷载,分析了轴向荷载对轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率的影响,即轴向压力使梁的第1阶固有频率降低,轴向拉力使梁的第1阶固有频率增大。在简支-简支梁(H-H)边界条件下、不同截面宽锥度系数c_b和截面高锥度系数c_h,且区间划分点数n为40时,本文计算结果与已有文献计算结果之间的最大相对误差不超过0.00768%;在简支-简支梁(H-H)、固端-自由梁(C-F)、固端-固端梁(C-C)这三种不同边界条件下,不同c_b和c_h,且n为40时,最大相对误差不超过0.101%,说明了本文方法的有效性和良好的计算精度。     

分布轴向力作用下隔水管横向自由振动分析

隔水管固有频率的精确计算对保证隔水管的安全使用和防止共振的发生有着极为重要的意义.在分析中,考虑了分布轴向力和顶张力的共同作用,建立了隔水管横向振动力学模型;基于牛顿定律和纵横弯曲梁理论,对微单元受力分析,得到隔水管横向自由振动的四阶偏微分方程;利用分离变量法将四阶偏微分方程简化为四阶变系数常微分方程;采用积分法求解四阶变系数常微分方程,得到隔水管横向自由振动固有频率的解析解.结果表明:(1)分布轴向力作用下隔水管横向自由振动的固有频率和振型,与将分布轴向力简化为集中力作用下隔水管的固有频率和振型有很大差别;(2)顶张力一定时,随着分布轴向力减小,隔水管固有频率增大;分布轴向力一定时,随着顶张力增大,隔水管固有频率增大;(3)采用积分法求解隔水管横向振动特性时,计算精度高,为隔水管的优化设计提供了可靠的理论依据.     

输液管道附加支承刚度优化设计

研究液固耦合效应作用下,两端铰支输液管道系统附加支承的刚度和位置优化设计。应用有限元分析方法,建立了输液管道液固耦合振动方程。为有效控制管道结构的振动,利用在管道结构上附(增)加支承的方法,提高输液管道系统的固有频率,预防系统可能发生强烈的耦合振动导致不稳定状态。提出了附加支承最小(临界)刚度的快速计算策略和途径,分别探讨分析了输液管道内液体的流速、附加支承的位置以及第一阶固有频率的目标值对最优支承刚度值的影响。     

轴向运动复合材料圆柱壳的非线性振动研究

采用Runge–Kutta法和多尺度法对轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的非线性振动特性进行了研究。首先根据层合壳理论建立轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的波动方程,利用Galerkin法对方程进行离散,得到相互耦合模态方程组。然后应用Runge –Kutta法分析了不同参数条件下的幅频特性曲线,得到了系统由于固有频率接近所导致的内共振现象,以及系统呈现软特性等非线性特性。最后采用多尺度法进行了系统1:1内共振时的近似解析分析,对系统在不同参数下的振动研究表明,激振力幅值、阻尼、速度等参数对位移响应幅值、共振区间、模态间的耦合度及系统软特性程度均有影响,其结论与数值计算结果一致,并同时对解的稳定性进行了研究。     

螺栓松动边界下纤维增强复合薄板的振动测试方法

提出了基于预埋压力传感器的量化测试方法,研究了螺栓松动边界对纤维增强复合薄板振动特性的影响。首先,自主设计并开发了带有预埋压力传感器的螺栓松动边界下复合薄板的振动测试系统,并详细介绍了系统各个部件的组成和功能;然后,归纳出一套合理、规范的松动边界下复合薄板的振动测试流程,并对HF10碳纤维/树脂复合薄板进行了实际测试。结果表明:随着螺栓松动程度的不断增加,复合薄板的固有频率逐渐降低,模态振型的节线位置也发生了不同程度的变化,但其阻尼结果呈现先增大后减小的趋势;而共振和非共振响应呈现先减小后增大的趋势。     

磁场和温度场作用下金属-陶瓷FGM圆柱壳固有振动

针对温度场中的金属-陶瓷功能梯度圆柱壳,基于物理中面下Love非线性薄壳理论,考虑物性参数沿厚度的梯度分布规律,得到含热应力项的内力和内力矩的表达式．根据电磁和弹性理论,得出磁场环境中导电功能梯度壳体的涡流洛伦兹力模型,给出动能、应变能及其变分表达式．应用哈密顿变分原理和伽辽金离散法,建立功能梯度圆柱薄壳的磁热弹耦合振动方程,推得两端简支约束下非轴对称振动壳体的固有频率特征方程．通过算例,得到功能梯度圆柱壳的固有频率变化曲线图,阐明了磁场、温度、材料属性及结构尺寸对振动频率的影响规律．结果表明：周向波数增大,固有频率呈现先减小后增大的趋势;磁感应强度增加,电磁阻尼效应逐渐明显,固有频率值减小;壳体厚度的增大、长度的减小和温度的大幅升高,使刚度项系数减小,固有频率值增加．     

波纹板结构动力学建模及其自由振动特性分析

波纹板结构是高速列车中较为常见的型材结构,因其具有轻质、高强度和高稳定性等一系列优点,所以广泛应用于车体结构轻量化设计。首先,基于一阶剪切变形理论和中厚壳(圆弧壳)理论,采用微分求积有限元法(DQFEM)建立一般边界条件下五自由度波纹板结构的通用动力学分析模型;紧接着对五自由度波纹板结构动力学模型进行收敛性验证,确定最佳微分节点数和惩罚因子的取值;然后,采用有限软件(ABAQUS)验证了建立模型的准确性;最后根据已建立模型,研究波纹板结构参数对其振动特性的影响。结果表明,波纹板结构厚度和固支边界条件会增加其固有频率,提高波纹板结构的稳定性,使得共振频率向高频移动;增加波纹板结构长度、参与耦合圆弧壳半径和参与耦合圆弧壳弧度会降低其固有频率,使得共振频率向低频移动。     

基于实验研究的轧机垂扭耦合振动分析

以承钢1780热连轧机组的R1为研究对象,依据多自由度系统振动理论,提出了一种垂扭耦合动力学模型的建模方法,建立了R1的垂扭耦合振动微分方程;并结合现场实测数据,确定了系统的耦合系数;分别计算了该轧机垂振、扭振、垂扭耦合振动的固有频率,并进行了比较。分析了考虑耦合振动系统时,轧机固有频率的变化情况,给出了R1垂扭耦合振动的前15阶固有频率。通过对咬钢激励情况下垂扭耦合系统的动态响应分析,分别计算了上下辊系扭振与垂振的最大振幅。通过对振动幅值的比较,论证了扭振与垂振之间的影响程度,并通过现场实测对理论分析结果进行了验证。     

惯容器对隔振系统动态性能影响研究

本文设计了一种滚珠丝杠惯容器及ISD隔振系统,通过实验研究了惯性轮的转动惯量对惯容值的影响;同时,分析了滚珠丝杠惯容器的机械动力学特性,推导了ISD隔振系统的振动传递率计算公式,探讨了惯容器对ISD隔振系统动态特性的影响。在电机被动、主动和混合隔振工况下,开展了弹簧阻尼系统和ISD隔振系统的振动性能对比实验,验证了惯容器对振动系统固有频率和减振效果的影响规律。研究结果表明,惯容器可降低振动系统的固有频率,使共振频率向低频移动,共振振幅降低;在共振频率附近,惯容器可抑制共振振幅,惯容值越高,抑制效果越明显;ISD隔振系统在低频的减振效果优于传统的弹簧阻尼系统;随着频率比的增加,ISD隔振系统的传递率趋于稳定值,惯容器会引起高频隔振性能降低。     

球阀不同开度下自流注水管路流固耦合动力学特性研究

以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型并研究其动力学特性。由于管路不同位置的动力学特性不同,本文根据所建立的有限元模型计算球阀不同开度对管路同一位置流体的压力和速度的影响,并比较不同位置在球阀固定开度时的流体特性。结果表明:阀前弯头的流体压力随阀门开度的增加而减小,阀后弯头随阀门开度的增加而增大;当阀门开度固定时,管路不同位置的流体压力分别以球阀(固定开度≤50%)、大小头(固定开度为50%)为分界点呈现不同的趋势。根据流固耦合理论计算球阀不同开度下自流注水管路结构的振动情况,结果发现阀门开度为50%时在0.5s比其他开度多出现一次激振,且加速度幅值较其它开度明显增大。     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

基于Cosserat理论的四边简支自由振动微平板尺度效应研究

微观下材料内部结构将极大地影响材料的力学性能,对微纳米器件中典型的微平板结构尺度效应进行研究具有十分重要的意义.论文基于Cosserat理论推导出了微平板自由振动的微分方程,并根据四边简支边界条件假设振型函数,给出了固有频率的计算公式,对不同尺寸微平板固有频率的尺度效应进行了仿真分析.结果表明,考虑了尺度效应的微平板自由振动固有频率要高于经典理论中的固有频率.当特征长度与微平板厚度大小相当时,微平板固有频率表现出明显的尺度效应,并随着特征长度的增加而增大.同时,自由振动的尺度效应将随着微平板厚度的减小而逐渐增强,振动模态及长宽比不影响尺度效应.论文的研究将为微结构与系统的应用提供一定的理论基础.     

共固化多层阻尼夹嵌复合材料梁的自由振动分析

为获得大阻尼复合材料结构,开展了共固化多层阻尼膜夹嵌复合材料梁的动力学性能研究。基于一阶剪切变形理论和Hamilton原理,提出并推导了该结构的动力学方程,运用变分原理和伽辽金法求解了,在固支边界条件下的自由振动特性理论解,通过仿真和试验对理论可行性进行了验证,揭示了参数变化对一阶固有频率和阻尼比的影响,为多层阻尼膜在复合材料结构中的优化设计提供了理论依据。