车桥耦合系统固有频率的研究

建立了用来计算车桥耦合系统各阶固有频率的特征值方法理论,研究了系统的各阶固有频率随车辆在桥梁上相对位置和车辆与桥梁相对刚度的变化规律,以及系统基频随车速和加速度的变化规律.数值算例结果表明,车桥耦合系统的各阶固有频率不仅与相对位置有关,而且与相对刚度有关,并且呈现一定的规律性,车速和加速度对耦合系统的基频也有一点程度的影响,若用桥梁的固有频率取代耦合系统的固有频率将会产生较大误差.     

变速移动弹簧阻尼质量系统作用下梁的动态响应

为了分析移动载荷作用下梁的动态响应问题,建立了移动振动质量系统作用下梁的动力学模型,推导出带有附加矩阵和附加向量的时变动力学耦合方程,并整理成便于数值求解的二阶微分方程组,通过与移动力模型和移动质量模型的比较,验证了这一方法的可行性,在算例中比较了移动载荷不同运动情况下梁的挠度、弯矩和剪力动载系数.     

索梁结构中抗弯刚度斜拉索的非线性响应

研究索梁结构中考虑抗弯刚度斜拉索的非线性响应.从斜拉桥中简化出索梁组合结构力学模型,考虑抗弯刚度、几何非线性及垂度等因素,忽略索梁纵向振动,基于Hamilton变分原理,获得了索梁结构耦合非线性振动偏微分方程组.首先运用Galerkin方法离散该方程组,然后利用多尺度法对该方程组进行摄动分析.以某索梁结构为例,分析了索主要参数对抗弯刚度斜拉索面内基频的影响,探讨了抗弯刚度对斜拉索幅频响应、激频响应的影响,数值模拟获得了索梁结构的时程曲线.结果表明,考虑抗弯刚度后,索长对斜拉索面内基频的影响较大,对于短索,应考虑抗弯刚度;含抗弯刚度斜拉索的幅频响应曲线整体向右平移,激频响应曲线向左移,移动的幅度取决于抗弯刚度的大小;梁振动将对索振动产生显著影响,索振动对梁的振动影响很小.     

开孔变截面微悬臂梁传感器的等效刚度和固有频率

研究新型开孔变截面微悬臂梁传感器的等效法向刚度及其对固有频率的影响.首先,考虑微梁纵截面孔洞结构引起的弯扭耦合效应,利用二次积分法获得在自由端集中载荷作用下悬臂梁的挠度,基于弹性材料的Hooke定律建立了微梁等效法向刚度分析的解析模型.然后,采用Rayleigh法获得了微梁的固有频率.最后,通过比对实验结果和有限元结果对解析模型进行了验证.研究表明:解析模型对于开孔变截面微梁刚度和频率的预测和标定具有较好的精度;微梁的等效刚度和固有频率与跨宽比负相关,却与内外宽度比正相关.有关结论可为新型变截面微纳机械传感器的设计提供理论依据和参考.     

基于移动有限元法的裂纹梁振动分析

采用移动有限元法和局部柔度法对移动质量作用下含裂纹简支梁进行了振动计算分析.计算考虑了裂纹和移动质量的相对位置对梁固有频率的影响,以及移动质量在不同位置、速度情况下对裂纹梁的动力响应的影响.结果分析表明,裂纹与移动质量的存在会使得梁的动态位移有不同程度的增大,且随着移动质量位置和裂纹位置的改变会使得梁的固有频率变小.     

移动质量-梁振动的时空有限元法数值分析

为了获得移动质量沿梁匀速运动的系统动态响应,建立了时空有限元数值求解模型.考虑移动质量惯性项,得到移动质量-梁时变系统的动力学方程.应用时空有限元法.得到了移动集中质量作用下Bernoulli-Euler梁离散单元的质量矩阵、刚度矩阵.与Newmark-β法、Wilson-θ法计算结果进行比较,时空有限无法计算梁的动态响应的精度更高.     

考虑几何非线性和热效应的刚柔耦合系统的频域特性研究

研究温度场中旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学特性.考虑几何非线性和热效应,从精确的应变-位移关系式出发,用虚功原理和有限单元法建立了旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学方程.由于非线性刚度阵与变形的高次项有关,将非线性刚度阵的各元素表示为广义坐标阵和常值阵的乘积.数值计算表明,该方法可避免重复积分,提高计算效率.在此基础上研究了在温度递增的情况下几何非线性对系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,用频谱分析方法研究了系统的固有频率随中心刚体转动惯量和温度的变化.     

纵横向耦合轴向运动梁的自由振动响应研究

研究轴向运动梁在纵向与横向振动耦合下的自由振动响应,尤其是在横向第1,2固有频率之比ω1/ω2接近1:3内共振条件下的系统响应.利用哈密顿原理建立非惯性参考系下轴向运动梁的振动微分方程,采用分离变量法分离时间变量和空间变量并利用Galerkin方法离散,得到了运动梁含有2次和3次非线性项的运动微分方程.利用增量谐波平衡法(IHB法)分析纵向与横向振动耦合时非线性振动复杂的频幅响应曲线,探讨了相互耦合下系统在横向前2阶固有频率附近没有横向外激励作用下的自由振动响应,揭示了很多复杂而有趣的非线性现象.     

随机及移动荷载激励下弹性梁分岔与混沌

移动荷载通过简支梁时,粗糙的梁表面会使移动荷载转变为随机激励.本文考虑梁的几何非线性因素,基于随机Melnikov理论确定了系统在均方意义下发生异宿分岔以及混沌的边界条件.利用数值随机Runge-Kutta方法对随机激励和周期激励共同作用下的系统响应进行了仿真计算,最大Lyapunov指数等数值结果描述了动力学行为变化过程.结果表明当荷载的速度一定时,梁跨中的非线性动力学行为受到质量和随机激励的共同影响,表面平整度较差的梁会增加混沌产生的可能性.     

一种新型压电俘能器的振动特性分析及性能研究

基于压电效应设计了一种包含屈曲梁、质量块和非线性弹簧的新型压电俘能器结构,并对其进行了振动响应分析.首先基于Euler-Bernoulli梁理论,利用Hamilton原理建立了压电俘能器结构的非线性动力学方程,通过Galerkin离散后数值分析了结构参数对系统一阶固有频率的影响;进一步利用多尺度法对系统进行摄动分析,研究了系统的稳态幅频特性,数值分析了各系数对幅频响应曲线的影响,结果表明该结构在简谐激励作用下会存在多种跳跃现象;最后数值分析了压电俘能器的发电性能,讨论了激励幅值和初始静挠度对发电电压的影响.     

一类弦-梁耦合非线性振动系统的动力学数值模拟研究

本文研究了一类具有参数激励和外激励弦-梁耦合非线性系统.首先,运用多尺度法分析弦-梁耦合非线性系统的响应,求得系统平均方程.其次,基于求得的方程,以系统的阻尼系数作为分叉参数,并对系统平衡点的稳定性进行分析,得到平衡点的分叉曲线.为了验证理论预测的正确性数值模拟了不同分叉参数下的相空间轨线.利用四阶龙格库塔方法验证了弦-梁耦合非线性系统混沌运动的存在性,从数值模拟看出系统存在单倍周期运动、多倍周期运动和混沌运动.     

变截面铁木辛柯梁振动特性快速计算方法

提出了一种快速计算变截面铁木辛柯梁横向振动特性的方法.基于铁木辛柯梁理论建立的变截面梁的横向振动方程,其梁的截面参数如有效剪切面积、密度、弯曲刚度、转动惯量等沿梁轴线连续或非连续变化；首先将变截面梁等效为多段均匀阶梯梁；然后基于相邻两段连接处的位移(位移、转角)和力(弯矩、剪力)连续条件,建立相邻两段模态函数间相互关系,并递推出首段段与末段模态函数相互关系,利用边界条件得到相应特征方程,使用Newton-Raphson方法计算其固有频率；最后针对梁常见边界条件,得到计算变截面铁木辛柯梁横向振动固有频率特征     

轴向运动粘弹性夹层梁的横向振动

研究了小扰度下轴向匀速运动粘弹性夹层梁的振动模态和固有频率.基于Kelvin粘弹性本构方程,建立了轴向运动粘弹性夹层梁横向振动控制方程.分别采用Galerkin截断和复模态分析方法,研究两端简支的粘弹性夹层梁的固有频率和模态函数,讨论了轴向运动速度、夹心层与约束层厚度比、初始轴力等参数对夹层梁固有频率、临界速度及稳定性的影响.     

Optimization of natural frequencies of bidirectional functionally graded beams

We propose a methodology to optimize the natural frequencies of functionally graded structures by tailoring their material distribution. The element-free Galerkin method is used to analyze the two-dimensional steady-state free and forced vibration of functionally graded beams. To optimize the material composition, the spatial distribution of volume fractions of the material constituents is defined using piecewise bicubic interpolation of volume fraction values that are specified at a finite number of grid points. Subsequently, we use a real-coded genetic algorithm to optimize the volume fraction distribution for three model problems. In the first problem, we seek material distributions that maximize each of the first three natural frequencies of a functionally graded beam. The goal of the second model problem is to minimize the mass of a functionally graded beam while constraining its natural frequencies to lie outside certain prescribed frequency bands. The last problem aims to minimize the mass of a functionally graded beam by simultaneously optimizing its thickness and material distribution such that the fundamental frequency is greater than a prescribed value.     

Approximate solutions for nonlinear transverse vibrations of elastically restrained tapered beams

This paper introduces the approximate solutions of the mathematical model of an elastically restrained tapered beam. At the beginning of the study, the equation of motion is derived in a detailed way. The frequency–amplitude relation is deduced and solved numerically. The nonlinear natural frequencies for the transverse vibrations of an elastically restrained tapered beam are provided using Mathematica software. The max–min approach, the frequency–amplitude method and the parameter-expansion method are applied in order to obtain an approximated solution. The approximate analytical results are further compared with the numerical results for both small and large amplitude oscillations, and very good agreement is observed.     

Riccati discrete time transfer matrix method for elastic beam undergoing large overall motion

An efficient method for dynamics simulation for elastic beam with large overall spatial motion and nonlinear deformation, namely, the Riccati discrete time transfer matrix method (Riccati-DT-TMM), is proposed in this investigation. With finite segments, continuous deformation field of a beam can be decomposed into many rigid bodies connected by rotational springs. Discrete time transfer matrices of rigid bodies and rotational springs are used to analyze the dynamic characteristic of the beam, and the Riccati transform is used to improve the numerical stability of discrete time transfer matrix method of multibody system dynamics. A predictor-corrector method is used to improve the numerical accuracy of the Riccati-DT-TMM. Using the Riccati-DT-TMM in dynamics analysis, the global dynamics equations of the system are not needed and the computation time required increases linearly with the system’s number of degrees of freedom. Three numerical examples are given to validate the method for the dynamic simulation of a geometric nonlinear beam undergoing large overall motion.     

谱元法在求解刚架结构动力学问题中的应用

把谱元法应用于刚架结构的动力学响应计算和分析中.建立了杆和梁的谱单元动力学刚度阵,针对刚架结构组装了整体动力学刚度阵,建立了整体结构的运动方程,计算了结构的固有频率和时域响应,并与采用有限元方法得到的结果进行了对比.从结果中可以看出谱元法在数值模拟中的独特优势.