非线性弹性直杆纵振时的混沌行为

研究了S形本构关系的弹性直杆纵振时的混沌行为.用Galerkin原理将杆纵振时的动力控制方程转化为二阶三次非线性微分动力系统;给出了其产生同宿轨道和异宿轨道的条件,得到了同宿轨道的参数方程;借助Melnikov函数给出了系统发生混沌的临界条件;数值计算给出了混沌运动区域随β和γ的变化规律,用分岔图、位移时程曲线、相平面图和Poincaré映射判断了系统的运动行为即定常还是混沌.进一步的研究还表明本构关系中的二次非线性项对系统的动力响应具有很大的影响.     

参数激励下粘弹性圆柱壳的混沌行为

基于大挠度薄壳的Donnell-Kármán理论和Kelvin-Voigt 粘弹性本构关系,研究了参数激励下粘弹性圆柱壳的混沌行为。导出了关于挠度和应力函数的控制方程,借助Galerkin原理将粘弹性圆柱壳的控制方程转化为二阶三次非线性微分动力系统。当轴压载荷与圆柱壳的材料参数满足a > 0时,用Melnikov 函数给出了系统发生混沌的临界条件,数值分析了轴压载荷和粘性阻尼系数对混沌运动的影响。用Runge-Kutta 法给出分岔图、位移时程曲线、相平面图和Poincaré映射分析了系统运动行为,给出了a > 0和a < 0情况下系统定常运动和混沌运动的特征。     

具有初始缺陷的扁球面网壳的混沌运动与控制

摘 要：在圆形三向网架非线性动力学基本方程的基础上,用拟壳法给出了圆底扁球面三向网壳的大挠度方程和非线性动力学基本方程。在固定边界条件下,引入了异于等厚度壳的无量纲量,对基本方程和边界条件进行无量纲化。并将扁球面网壳的大挠度解当作扁球面网壳的初始缺陷,通过Galerkin作用得到了一个含二次、三次的非线性动力学方程。通过求Melnikov 函数,给出了具有初始缺陷的扁球面网壳系统可能发生混沌运动的临界条件。并通过数字仿真绘出了平面相图,证实了混沌运动的存在并且可以通过改变参数来抑制系统混沌运动的发生。同时也发现了考虑初始缺陷的扁球面系统固有频率增大了,从而发生混沌运动的临界载荷值减小了。     

轴压粘弹性圆柱壳在横向扰动下的混沌行为

基于大挠度薄壳的Donnell-Kármán理论和Kelvin–Voigt粘弹性本构关系,对轴压粘弹性圆柱壳在横向扰动下的混沌行为进行了研究。导出了关于挠度和应力函数的控制方程,借助Galerkin原理将粘弹性圆柱壳的控制方程转化为二阶三次非线性微分动力系统,用Melnikov函数给出了系统发生Smale马蹄型混沌的临界条件。数值计算分析了轴压载荷和粘性阻尼系数对混沌运动的影响。通过分岔图、位移时程曲线、相平面图和Poincaré映射描述了系统的运动行为。研究表明：当轴压载荷与圆柱壳的材料参数满足一定关系时,系统才有可能发生Smale马蹄型混沌;随着轴压载荷的增大,混沌运动区域逐渐减小;随着粘性系数与外阻尼系数比值的增大,混沌运动区域逐渐减小;轴压粘弹性圆柱壳在横向扰动下既会发生定常运动也会发生混沌运动     

复合材料层合板的混沌运动分析

建立了四边简支纤维增强复合材料层合薄板在受到x轴方向面内激励和横向激励联合作用下的动力学方程,考虑了复合材料层合板主参数共振和1:1内共振的情况,利用二阶Galerkin离散和多尺度方法得到四维直角坐标形式下复合材料层合板系统的平均方程。然后利用规范形理论化简平均方程得到简单规范形。应用Kovacic等人提出的高维Melnikov方法研究复合材料层合薄板的脉冲混沌运动,理论分析发现在参数激励和外激励作用下系统存在smale马蹄意义下的混沌运动并存在脉冲跳跃轨道。     

考虑损伤双层扁球面网壳的非线性动力学特性

基于Lematire等效应变损伤理论,计及扁球面网壳各个杆件的损伤影响,应用拟壳法导出了具有损伤的扁球面网壳的动力学非线性控制方程。提出了以中心最大振幅为摄动参数的摄动-变分法的求解方法,对动力非线性控制方程进行了求解,得出了相应的物理量的解析式。据此进行数值分析,得出了相应的特征关系。并用Galerkin方法导出了一个含二次和三次非线性振动微分方程并求解了具有损伤扁球面网壳的的非线性动力学的自由振动方程,给出了准确解。而后利用Melnikov函数法,从理论上给出了考虑损伤的系统发生混沌运动的临界条件,并通过计算机数字仿真证实了考虑损伤的扁球面网壳在非线性强迫振动时存在混沌运动,同时发现损伤使得系统更易发生混沌运动。     

单层扁锥面网壳非线性动力稳定性分析

用拟壳法建立了正三角形网格的三向扁锥面单层网壳的非线性动力学微分方程。在周边固定条件下,用分离变量函数法给出网壳的横向位移。由协调方程求出张力,通过Galerkin作用得到了一个含二次、三次的非线性微分方程,在不考虑外激励情况下,此系统有三个平衡点。通过求Floquet指数讨论了零平衡点邻域的稳定性问题。为了研究系统的混沌运动,在给定的初始条件下,对此动力系统的非线性自由振动方程进行了求解,首次得到了带平方和立方非线性系统的准确解,使得求Melnikov函数成为可能。用复变函数中的留数理论求出了Melnikov函数,得到了发生混沌的临界条件,通过数值仿真和Poincare映射也证实了混沌运动的存在。     

薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的振动特性分析

摘要：为深入研究薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的运动特性,应用Donnell简化壳理论,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的影响,建立了薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的非线性振动方程。基于Galerkin方法将偏微分方程转化为方便求解的常微分方程,利用多尺度法求解了系统主共振的一次近似解,得到了系统稳态响应的转迁集与分岔图,并通过奇异性分析,得到了系统工作稳定性和可靠性的结构参数区域。对薄壁圆柱壳在流体作用下的振动特性进行了数值模拟和实验研究,考察了阻尼系数、脉动频率、液体深度等对系统动力学特性的影响。研究表明,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的非线性振动方程更能体现薄壁圆柱壳在流体脉动激励下完整的动力学特性,同时系统中存在多种分岔行为。     

四边固支热磁弹性矩形薄板的分岔与混沌*

摘要 研究在温度场、机械场与电磁弹性耦合作用下四边固定支撑矩形薄板的分岔与混沌运动问题。考虑温度场的影响,推导出在横向稳恒磁场和载荷共同作用下的四边固支矩形薄板的非线性磁弹性耦合振动方程。运用Melnikov函数方法,求出该问题在Smale马蹄映射下发生混沌运动的条件解。并对其进行了数值仿真,给出了该系统的分岔图、Lyapunov指数图、位移波形图、相平面轨迹图以及Poincare截面图,讨论了温度及电磁场强度对系统运动状态的影响。由仿真结果可知,通过变化温度场和电磁参数可以使系统进入混沌运动状态,或者避免混沌运动,以实现对系统振动特性的控制。
     

基于时滞惯性流形的二维平面壁板非线性气动弹性分析

详细研究了二维平面壁板的非线性气动弹性现象。采用平板的Von Karman几何大变形理论以及气动力的一阶活塞理论,推导出系统的非线性偏微分控制方程。然后,运用基于时滞惯性流形的非线性Galerkin方法求解方程,将高阶屈曲模态用低阶模态来表示并引入时间滞后,这样既保留计算精度又大幅度地节约计算时间。最后,详细数值分析了其中的气动弹性行为,分别以无量纲动压和无量纲压缩内力为分岔参数,无量纲幅值为响应给出了分岔图,发现系统存在阵发性通往混沌的途径,以及混沌区域周期窗口和自相似的特征。进一步,通过对系统的相图、位移的FFT频谱以及Lyapunov指数的分析,发现系统的动力学行为存在稳定、屈曲、谐调和非谐调运动四种典型类型,而非谐调运动又表现出倍周期运动、准周期运动和混沌运动等丰富的非线性响应,所研究结果为识别和进一步控制此类非线性气动弹性现象提供了理论依据。     

Nonlinear vibrations of laminated circular cylindrical shells: Comparison of different shell theories

The geometrically nonlinear forced vibrations of laminated circular cylindrical shells are studied by using the Amabili–Reddy higher-order shear deformation theory. An energy approach based on Lagrange equations, retaining modal damping, is used in order to obtain the equations of motion. An harmonic point excitation is applied in radial direction and simply supported boundary conditions are assumed. The equations of motion are studied by using the pseudo-arclength continuation method and bifurcation analysis. A one-to-one internal resonance is always present for a complete circular cylindrical shell, giving rise to pitchfork bifurcations of the nonlinear response with appearance of a second branch with travelling wave response and quasi-periodic vibrations. The numerical results obtained by using the Amabili–Reddy shell theory are compared to those obtained by using an higher-order shear deformation theory retaining only nonlinear term of von Kármán type and the Novozhilov classical shell theory.     

Nonlinear vibrations of laminated circular cylindrical shells: Comparison of different shell theories

The geometrically nonlinear forced vibrations of laminated circular cylindrical shells are studied by using the Amabili–Reddy higher-order shear deformation theory. An energy approach based on Lagrange equations, retaining modal damping, is used in order to obtain the equations of motion. An harmonic point excitation is applied in radial direction and simply supported boundary conditions are assumed. The equations of motion are studied by using the pseudo-arclength continuation method and bifurcation analysis. A one-to-one internal resonance is always present for a complete circular cylindrical shell, giving rise to pitchfork bifurcations of the nonlinear response with appearance of a second branch with travelling wave response and quasi-periodic vibrations. The numerical results obtained by using the Amabili–Reddy shell theory are compared to those obtained by using an higher-order shear deformation theory retaining only nonlinear term of von Kármán type and the Novozhilov classical shell theory.     

主动约束层阻尼圆柱壳动力学分析的新传递矩阵法

基于作者最近导出的被动约束层阻尼(PCLD)圆柱壳的一阶整合矩阵微分方程,结合压电材料本构关系和比例微分负增益反馈控制策略(PD),建立了一种求解主动约束层阻尼(ACLD)圆柱壳动力学问题的新传递矩阵方法。提出的ACLD圆柱壳的一阶矩阵微分方程,采用了简化的机电耦合模型。通过对ACLD圆柱壳自由振动及其在地震激励作用下的动力学响应分析,表明ACLD圆柱壳的阻尼特性和减振效果相对于PCLD圆柱壳具有明显优势,并且发现采用周向分块敷设ACLD,且施加与结构变形中的占优模态相匹配的控制电压分布方式对地震激励的抑制效果更好。     

圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构自由振动分析

基于Reissner薄壳理论,采用区域分解法分析了不同边界条件下圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的自由振动。首先在壳体连接处将组合壳体分为独立的圆锥壳、圆柱壳和球壳,并将各个子壳体沿旋转轴线分解为若干自由壳段;然后将所有壳段分区界面(包括边界界面)的位移协调方程通过分区广义变分和最小二乘加权残值法引入到组合壳体的能量泛函中;最后将壳段位移场变量的周向分量和轴向分量分别以Fourier级数和Chebyshev多项式展开,通过变分后得到整个组合壳体的离散动力学方程。将区域分解法计算结果与有限元软件ANSYS计算结果进行对比,验证了区域分解法在分析圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构自由振动的正确性和计算精度,并分析了组合壳体长径比及厚径比对自由振动频率的影响。     

Nonlinear dynamics of FGM circular cylindrical shell with clamped-clamped edges

An analysis on the nonlinear dynamics of a clamped-clamped FGM circular cylindrical shell subjected to an external excitation and uniform temperature change is presented in this paper. Material properties of the constituents are assumed to be temperature-independent and the effective properties of FGM cylindrical shell are graded in thickness direction according to a simple power law function in terms of the volume fractions. Based on the first-order shear deformation shell theory and von Karman type nonlinear strain-displacement relationship, the nonlinear governing equations of motion are derived by using Hamilton’s principle. Galerkin’s method is then utilized to discretize the governing partial equations to a two-degree-of-freedom nonlinear system including the quadratic and cubic nonlinear terms under combined external excitations. Numerical results including the bifurcations, waveform, phase plots and Poincare maps are presented for clamped-clamped FGM cylindrical shells showing the influences of material gradient index, the thickness and the external loading on the nonlinear dynamics.     

变速超空泡航行体壳结构的动力响应分析

通过对变速超空泡水下航行体壳结构受力模型的分析,建立了恒定推力下航行体的平面运动方程,确定了变速过程中的阻力和冲击力。利用有限元方法,进行了结构响应计算,分析了减速过程中节点时域上的最大应力值在轴向的分布情况及典型节点处的响应。结果表明：航行体所需推力和所受应力较大,对其结构强度要求较高;运动过程中,节点时域上的最大应力在空间域上的极大值主要分布在首尾端部和柱壳中部;存在一些振动频率对航行体结构响应影响显著。结果对超空泡航行体壳结构受力和强度分析以及优化设计有着重要的指导意义。&;#61472;     

考虑接触效应的具轴对称脱层层合圆柱壳的非线性动力响应分析

基于非线性弹性壳理论,建立了考虑脱层接触效应的具轴对称脱层层合圆柱壳的运动控制方程。引入假想弹簧计算接触力,然后对系统的横向运动控制方程进行修正,从而有效地避免了脱层之间的相互贯穿。整个问题采用有限差分法进行求解,算例中,详细讨论了脱层的大小、深度、位置以及载荷等因素对具脱层轴对称层合圆柱壳非线性动力响应的影响。数值计算结果表明,在脱层结构动力响应分析中考虑接触效应是非常重要的,它可避免脱层结构出现物理上不可能的相互贯穿。     

Nonlinear dynamic analysis with a 48 d.o.f. curved thin shell element

The developments of an existing 48 degrees-of-freedom (d.o.f.), curved, quadrilateral, thin shell element, for materially and geometrically nonlinear static analysis of shell structures, are extended for the study of dynamic responses of nonlinear shells. The variable-order polynomial representations of the shell surface and the non-axisymmetric definition of the shell boundaries allow the study of the dynamic behaviour of a class of shell structures more general than those treated by using flat plate elements and elements with assumptions of axisymmetry. The equations of motion are based on a Lagrangian frame of reference. A combination of step-by-step and iterative procedures is used for the solution of nonlinear equations. The incremental equations of motion are linearized for computation purposes, and an algorithm for numerical integration based on Newmark's generalized operator for dynamic analysis, using optional iteration, is adopted. The flow theory of plasticity is used in the inelastic range, and perfectly plastic or isotropic strain hardening materials are considered. The spread of plastic zones in the thickness direction is treated by using a layered model. Numerical examples presented include the dynamic analyses of a square plate, a circular annulus, a cylindrical panel and a spherical cap. Comparisons with existing solutions demonstrate the validity and accuracy of the present developments.