复合材料变截面旋转薄壁悬臂梁自由振动分析

基于拉格朗日方程推导出复合材料封闭变截面旋转薄壁梁的自由振动方程。与基于哈密顿原理的动力学建模方法相比,该文所采用的方法更为简洁。此外,在薄壁梁的结构模型中还考虑除横向剪切外的扭转、拉伸和弯曲引起的翘曲,具有考虑翘曲因素多的特点。给出了两种刚度配置下的变矩形截面旋转悬臂直梁的自由振动方程简化形式及其相应的迦辽金法求解的固有频率。基于大型通用有限元软件ANSYS,计算了薄壁变截面旋转悬臂梁的固有频率,并且与迦辽金法的求解结果进行了对比。分析了复合材料的弹性耦合、铺层角度、截面变化和旋转速度对薄壁梁的自由振动的影响。     

考虑剪切变形旋转运动复合材料薄壁梁的 动力学特性

研究考虑横向剪切的旋转运动复合材料薄壁梁的动力学特性。采用变分渐进法描述位移和应变并且引入横向剪切变形的影响,由Hamilton原理推导出Timoshenko梁的动力学模型,采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析,并且将计算结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了该文动力学模型的有效性。进一步针对周向均匀刚度配置(CUS)的箱型和翼型薄壁梁进行固有频率的计算,揭示了纤维铺层角、转速和结构参数对薄壁梁动力学特性的影响。     

湿热环境下复合材料薄壁梁振动特性研究

研究湿热环境变化对复合材料薄壁梁自由振动特性的影响。给出了复合材料薄壁梁的位移场和应变场,将湿热应变引入单层材料的本构关系,基于Hamilton原理得到湿热环境下复合材料薄壁梁的多向耦合振动方程。用Galerkin法和假设模态得到薄壁梁的固有频率。讨论了周向均匀刚度(CUS)构型复合材料薄壁梁的耦合振动特点。数值计算分析了湿度、温度变化及铺层角度对梁振动特性的影响。     

单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼

研究单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于变分渐进法（VAM) 和Hamilton原理,分别建立薄壁梁的截面力位移关系和运动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了本文阻尼分析模型的有效性。进一步针对周向均匀刚度配置(CUS)和周向反对称刚度配置（CAS）两种构型复合材料薄壁箱形梁以及一个翼型截面梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和截面宽高比等参数的影响     

复合材料封闭变截面薄壁梁自由振动分析

摘要：基于拉格朗日方程建立了复合材料封闭变截面薄壁梁的自由振动微分方程,给出了两种刚度配置下的变矩形截面悬臂直梁的自由振动方程简化形式及其相应的迦辽金法求解的固有频率。基于大型通用有限元软件ANSYS,计算了薄壁变截面悬臂梁的固有频率,并且与迦辽金法的求解结果进行了对比。分析了复合材料的弹性耦合,铺层角度和截面变化对薄壁梁的自由振动的影响。     

基于复合材料层合箱梁改进解析模型计算等效刚度

提出了基于复合材料层合箱梁改进解析模型的等效刚度计算方法。在考虑三维应变效应的同时用复合材料单层的二维折算模量分量来表示三维折算模量分量,简化了复合材料层合箱梁等效刚度系数的计算,得到了由梁横截面几何尺寸和层合板刚度系数表达的等效抗弯刚度和等效抗扭刚度的解析式。该解析式适用于环向刚度一致的复合材料层合箱梁,并充分考虑了弯曲-剪切耦合和扭转-拉伸耦合效应对等效刚度的影响。通过三点弯试验和扭转试验,验证了解析式的正确性;通过与分层等效叠加法、有限元法进行对比,分析了解析式的计算精度。结合经典层合板理论,研究了铺层方式对等效刚度产生的影响及原因,预测了不同铺层复合材料层合箱梁等效刚度的变化规律。      

旋转复合材料薄壁轴的不平衡非线性弯曲振动

研究几何非线性复合材料薄壁轴在偏心激励作用下的非线性振动特性。在轴的应变位移关系中引入Von Kármán几何非线性,基于Hamilton原理和变分渐进法(VAM)导出复合材料传动轴的拉-弯-扭耦合非线性振动偏微分方程组。为了着重研究轴的横向弯曲非线性振动特性,在上述模型中忽略轴向变形和扭转变形,得到轴的横向弯曲非线性振动偏微分方程,其中考虑了黏滞外阻和内阻的影响。采用Galerkin法,将偏微分方程转离散化为常微分方程,在此基础上利用四阶Runge-Kutta法对常微分方程组进行数值模拟,获得位移时间响应图、相平面图和功率谱图,研究了外阻、内组、偏心距和转速对非线性振动响应的影响,发现旋转复合材料薄壁轴存在混沌运动。     

旋转几何非线性复合材料薄壁梁的自由振动分析

研究具有几何非线性的旋转复合材料薄壁梁的自由振动。梁的变形引入了Von Kármán几何非线性, 基于Hamilton原理和变分渐进法 (Variational-Asymptotical Method -VMA),导出旋转复合材料薄壁梁的非线性振动偏微分方程组。采用Galerkin法将振动方程离散化为常微分方程组。借助于谐波平衡法 (Harmonic Balance Method -HBM) 建立自由振动的振幅-非线性固有频率关系方程。将上述方程化为非线性特征值问题,采用迭代算法进行求解。将所建立的旋转复合材料薄壁梁非线性自由振动分析模型和计算方法,应用于周向均匀刚度配置(Circumferentially Uniform Stiffness –CUS) 构型复合材料薄壁梁,通过数值计算揭示了纤维铺层角、旋转速度对非线性振动固有频率-振幅关系的影响。     

复合材料闭口薄壁杆件的平衡问题

本文根据现有均匀各向同性材料薄壁杆件的理论,导出了复合材料闭口薄壁杆件拉伸、弯曲、自由扭转和约束扭转的基本方程和有关的公式,可供工程设计计算之用。      

含裂纹复合两级行星轮系振动特性研究

为揭示复合行星轮系固有特性及裂纹对其振动响应的影响,以工程机械复合两级行星轮系为研究对象,采用集中参数法建立平移-扭转耦合动力学模型,并计入阻尼、支撑、时变啮合刚度、啮合相位等影响因素。根据各构件间相对位移分析,推导系统运动微分方程。将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁结构,根据能量法,分别计算啮合齿轮副赫兹刚度,弯曲刚度,剪切刚度和轴向压缩刚度。推导裂纹轮齿时变啮合刚度计算公式,分析裂纹扩展对时变啮合刚度的影响。进一步对各啮合副的相对啮合相位关系进行推导。采用数值分析方法,求解系统运动微分方程,得到正常及裂纹情况下的系统固有特性,研究时变啮合刚度及裂纹对系统固有频率的影响。综合运用时间历程、阶次谱、相轨迹及Poincaré映射图,分析裂纹扩展对系统非线性振动响应的影响。     

On sixfold coupled vibrations of thin-walled composite box beams

This paper presents a general analytical model for free vibration of thin-walled composite beams with arbitrary laminate stacking sequences and studies the effects of shear deformation over the natural frequencies. This model is based on the first-order shear-deformable beam theory and accounts for all the structural coupling coming from the material anisotropy. The seven governing differential equations for coupled flexural–torsional–shearing vibration are derived from the Hamilton’s principle. The resulting coupling is referred to as sixfold coupled vibration. Numerical results are obtained to investigate the effects of fiber angle, span-to-height ratio, modulus ratio, and boundary conditions on the natural frequencies as well as corresponding mode shapes of thin-walled composite box beams.     

具有形状记忆合金弹簧支承的转子系统的动力稳定性研究

提出一个具有形状记忆合金（SMA）弹簧支承的旋转轴转子系统的自由振动分析模型。基于Euler-Bernoulli梁理论建立旋转轴的连续分布弹性振动方程, 并且考虑旋转轴材料内阻的影响。采用Brinson模型分析SMA螺旋弹簧的受限回复刚度特性。在振型假设的基础上利用虚功原理得到转子系统的特征方程。通过数值计算分析了SMA弹簧的激励温度和初始应变对转子系统的临界转速和失稳阈的影响规律。研究表明, 利用SMA弹簧的受限回复特性调节支承刚度可以提高转子系统的临界转速和失稳阈,从而增强转子系统的动力学稳定性。     

热载荷作用下嵌入SMA丝复合材料梁的横向自由振动

基于形状记忆合金Brinson一维热力学本构方程,采用复合材料细观力学分析方法,建立了热载荷作用下嵌入SMA丝复合材料梁的一维热弹性本构关系。其次利用Euler-Bernoulli梁的轴线可伸长几何非线性理论和自由振动理论,建立了嵌入SMA丝复合材料梁在均匀升温场内自由振动的动力学控制方程,导出了热过屈曲构形附近嵌入SMA丝复合材料梁微幅横向自由振动的模型。最后通过打靶法求解了两端固定约束条件下嵌入形状记忆合金丝复合材料梁在加热过程中的振动响应,获得了梁的前四阶固有频率在不同SMA相对体积含量时随温度变化的特征关系曲线。数值结果表明,SMA丝相变过程中的回复应力和弹性模量变化对梁在过屈曲前后的各阶固有频率均有影响,是实现梁自振频率主动控制的一种有效方法。     

具有形状记忆合金丝的复合材料轴转子系统的振动与稳定性

提出具有SMA丝的复合材料轴-盘-刚性支承转子系统的数学模型,研究转子系统的振动与稳定性。将轴视为一个平行于轴线方向埋入SMA丝的薄壁复合材料空心梁,盘为各向同性刚性圆盘,轴位于刚性轴承上。基于变分渐进法(VAM)描述复合材料薄壁梁的变形,基于Brinson热力学本构方程计算SMA丝的回复应力,采用Hamilton原理推导出系统的运动方程,采用Galerkin法进行模型离散化和近似数值计算。着重分析SMA丝含量和初始应变对复合材料轴振动固有频率和转子系统临界转速的影响。研究结果表明,所建立的动力学模型能够用于揭示SMA对转子系统的振动与稳定性的影响机理。     

三交叉弦结构非线性自由振动频率特性分析

依据哈密顿原理获得了三交叉弦结构非线性自由振动的运动方程,并应用摄动法推导了自振频率下的一阶摄动解。相较于传统的单根弦线非线性振动运动方程多采用单三角级数,三交叉弦结构首次采用三重三角级数解法并成功获取一阶摄动解。通过分析表明,非线性自振频率的解析解除了具有典型的非线性特性,还体现了各个子结构参数变化对整体结构自振频率的影响,即存在子结构间的耦合特性。结果表明,整个结构与局部子结构在子结构自身因参数发生改变时,变化幅度之间不是线性关系,且整体结构小于子结构自身因参数改变的变化幅度。     

Dynamic Finite Element Analysis of Extensional-Torsional Coupled Vibration in Nonuniform Composite Beams

The application of a Dynamic Finite Element (DFE) technique to the extensional-torsional free vibration analysis of nonuniform composite beams, in the absence of flexural coupling, is presented. The proposed method is a fusion of the Galerkin weighted residual formulation and the Dynamic Stiffness Matrix (DSM) method, where the basis functions of approximation space are assumed to be the closed form solutions of the differential equations governing uncoupled extensional and torsional vibrations of the beam. The use of resulting dynamic trigonometric interpolation (shape) functions leads to a frequency dependent stiffness matrix, representing both mass and stiffness properties of the beam element. Assembly of the element matrices and the application of the boundary conditions then leads to a frequency dependent nonlinear eigenproblem, which is solved to evaluate the system natural frequencies and modes. Two illustrative examples of uniform and tapered cantilevered, Circumferentially Uniform Stiffness (CUS), hollow, composite beams are presented. The influence of ply fibre-angle on the natural frequencies is also studied. The correctness of the theory and the superiority of the proposed DFE over the contrasting DSM and conventional FEM methods are confirmed by the published results and numerical checks. The discussion of results is followed by some concluding remarks.     

非对称Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合振动

通过直接求解均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元自由振动的控制运动微分方程,推导了其精确的动态传递矩阵。采用Bernoulli-Euler弯扭耦合梁理论,假定梁横截面没有任何对称性,考虑了薄壁梁在两个方向的弯曲振动及翘曲刚度的影响。动态传递矩阵可以用于计算非对称薄壁梁及其集合体的精确固有频率和模态形状。针对具体的算例,给出了各种边界条件下固有频率的数值结果并与文献中已有的结果进行了比较,还讨论了翘曲刚度对固有频率和模态形状的影响,结果表明如果忽略翘曲刚度的影响,可能得到毫无意义的结果。     

风雨激振中拉索与水线耦合运动规律研究

在建立了水线运动与拉索振动相互耦合的三维连续弹性拉索风雨激振理论模型的基础上,通过振型分解,得到了以拉索各阶振型表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对实际拉索发生风雨激振时拉索和水线的运动规律进行了分析,结论表明:拉索风雨激振具有"限速"、"限幅"的特征;拉索的振动包含多阶拉索固有频率,拉索模态间相互耦合,并不断转化;水线沿拉索表面周向的运动具有一定的周期性,运动时程曲线并非呈正弦规律,其运动频率与拉索振动频率基本一致;水线沿拉索轴向分布不是一条直线,处于平均竖向气动力突降区的水线长度对拉索的振幅有较大的影响。     

大型立式电动机特定边界条件下的振动特性仿真与实验研究

考虑大型立式电动机的承载结构特点和机电耦合、电磁耦合作用,应用虚拟样机技术和有限元仿真软件,建立了某大型立式电动机的有限元模型,分析了电机振动变形和结构破坏的分布规律,确定了大型电动机结构变形与破坏的主要形式和部位。研究结果表明,单边磁拉力的不平衡作用是引起大型电机振动的重要激振源,当主波磁场产生的单边磁拉力的频率与电机某阶固有频率接近或者相同时,可能引起相关结构或者整机的强烈振动。同时,地脚螺栓的联接刚度对电机固有频率有较大影响,随着地脚螺栓数量的增加,电机的固有频率随之提高;当地脚螺栓失效时,会使得电机的固有频率降低,从而可能更加容易引起电机生产剧烈振动或者共振。