内外共振联合作用下索－梁组合结构非线性振动分析

研究内共振和外共振联合作用下的索－梁组合结构非线性振动问题。利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理推导索－梁组合结构非线性动力学方程,同时考虑索的垂度以及由梁和索之间模态耦合引起的非线性影响。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法将索－梁组合结构非线性运动偏微分方程离散为一组常微分方程。最后对数学模型进行数值计算,得到了不同内外共振联合作用下梁和索的模态时程曲线。研究表明,梁的稳态运动呈现周期性振荡,而索在不同的内外共振联合作用下,分别呈现出混沌或周期性振荡,并且索和梁之间持续的模态交替现象只能在特定的内外共振下出现。     

层合薄壁圆柱壳1:1内共振研究

针对一端固定,一端自由的层合薄壁圆柱壳模型,根据Donnell’s非线性简化壳理论建立其非线性振动方程。采用Galerkin方法对非线性振动方程进行离散化,应用平均法对系统包含两个相邻轴向模态的非线性振动响应进行了解析分析,与数值模拟进行了比较,并得到了不同参数对层合薄壁圆柱壳复杂的振动响应的影响。结果表明,1）由于所选的两个相邻轴向模态频率相距较近,能量在两个模态之间相互传递,系统存在1:1内共振现象;2）系统复杂的振动响应受激振力大小和非线性项的影响比较大,而对于阻尼不敏感。     

横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动的全局动力学

针对横摇和纵摇非线性耦合下船舶的混沌运动,首次应用能量相位法研究了船舶动力系统在1∶2内共振,第2阶主共振情形下系统的全局分叉及多脉冲混沌动力学行为,揭示了船舶运动存在模态作用、能量转移和多脉冲混沌运动的机理,并给出了船舶系统发生多脉冲混沌运动的参数区间。数值模拟验证了横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动系统存在多脉冲混沌运动。     

四边简支FGM矩形板非线性振动中的内共振

基于Reddy高阶剪切变形板理论、Galerkin法与Hamilton原理,在同时考虑几何非线性、材料物性参数随温度变化且材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况下,通过理论推导建立起四边简支功能梯度材料矩形板受面内与横向简谐载荷共同作用下的非线性运动控制微分方程;在此基础上建立了受热载荷作用下的具有二阶模态的非线性运动控制微分方程。分析了面内静态载荷对于给定参数下系统不同内共振的影响,发现随着面内静态载荷的不同系统会出现1:1、1:2 与1:3的内共振关系。计算结果发现由于不同内共振关系对应的面内静态载荷不同,不同内共振关系下所求得的一阶频率大小各不相同,所对应的瞬态响应也会不同。     

外激励作用下输流管道伴随内共振的非线性振动分析

利用多元L-P法研究外部周期激励下两端固定输流管道伴随内共振的非线性受迫振动问题。外激励流固耦合系统固有频率第二阶约为第一阶3倍且激励频率接近前两阶固有频率中间值时会发生伴随强烈内部共振的组合共振,并用多元L-P法求解振动响应,分析前两模态运动及外激励幅值对内共振的影响。数值算例揭示出系统因内共振发生的更丰富、复杂的动力学行为,随激励幅值增大内共振发生趋势降低,响应形式亦发生变化。用多元L-P法研究非线性动力学便捷、高效。     

面内弹性绳系卫星系统的内共振

研究了绳系卫星系统因系绳弹性和俯仰运动相耦合而引起的非线性内共振问题。首先应用Kane方程建立了面内椭圆轨道两体弹性绳系卫星系统在状态保持阶段的非线性动力学模型,分析了可能发生的内共振条件。然后,基于多尺度方法获得内共振下的调制方程及其Jacobi椭圆函数表示的解析解。结果表明,轨道摄动因素不会影响内共振,系统参数引起的内共振耦合振动会在两个模态之间相互传递,其调制周期取决于初始模态幅值。在一定的调谐参数上,模态振幅出现饱和现象。     

输流管道含有内共振的横向受迫振动研究

利用多元L-P法研究外部周期激励下两端铰支输流管道含有内共振的非线性受迫振动问题。对于外激励作用下的流固耦合系统,当第二阶固有频率约为第一阶值的3倍,并且激励频率接近系统固有频率时,系统会发生含有强烈内部共振的主共振。利用多元L-P法求解这种振动响应,并详细分析振动中前两个模态的运动及外激励幅值对内共振的影响。数值算例揭示了系统由于内共振而发生的更加丰富而复杂的动力学行为,并且表明,随着激励幅值的增大,部分内共振的发生趋势将降低并最终消失。研究结果同时证明了多元L-P法在研究非线性动力学方面是便捷而高效的。     

斜拉索面内参数振动的理论和试验研究

研究斜拉索在弦向位移激励下的面内非线性振动方程,该振动方程考虑拉索垂度、倾斜角、大位移、激励幅值、阻尼等影响因素,并应用龙格-库塔数值积分法求解该微分方程。在试验室建立了斜拉索模型,开展斜拉索受弦向位移激励的面内参数振动的试验研究,实现了斜拉索的参数振动。试验研究和数值计算表明斜拉索的参数振动与系统频率比、激励幅值、阻尼等因素有关,参数振动发生在一定的频率比范围内,斜拉索振幅与频率比关系曲线体现出非线性特性,系统阻尼使得斜拉索参数振动的激励幅值要超过一定的阀值。     

线载荷作用下面内运动正交各向异性板的亚谐波共振

研究面内运动正交各向异性薄板在线载荷作用下的亚谐波共振问题。给出面内运动正交各向异性薄板的动能和势能表达式,并推得几何非线性下正交各向异性条形板的非线性振动方程。针对简支边界约束情况,考虑三阶模态并运用伽辽金积分法,推得关于时间变量的无量纲化达芬型非线性振动微分方程组。应用多尺度法对非线性系统的亚谐波共振问题进行求解,得到了稳态运动下关于不同阶模态的共振幅值响应方程。应用李雅普诺夫稳定性理论,对解的稳定性进行分析,得到了稳态解的稳定性判别式。通过数值算例,得到了振幅特性变化曲线图,分析了速度、线载荷、材料属性等参量对系统共振特性的影响,结果表明,系统呈现较为明显的非线性共振特征。     

计及非齐次边界条件的面内变速运动黏弹性板的稳态响应

研究非齐次边界条件和1∶3内共振下面内平动黏弹性板的横向非线性1∶2主参数振动的稳态响应。考虑黏弹性对边界条件的影响,建立了面内平动板的偏微分运动方程和相应的非齐次边界条件。采用直接多尺度法建立了次谐波参数共振时的可解性条件,并根据Routh-Hurvitz判据判别了系统幅频响应的稳定性。讨论了速度扰动幅值和黏弹性系数对幅频响应的影响,对比了齐次和非齐次边界条件下稳态响应的差异。最后,引入微分求积法验证直接多尺度法的近似解析结果。     

索的动刚度与模态参数识别

索的动刚度描述动态过程索的荷载与变形的关系,是索本身固有特性的描述。从考虑垂度影响的索的动刚度解析解出发,提出了适用索模态参数是不相应的简化解。试验得到了索的频响函数,采用最小二乘拟合的方法,应用推导的索动刚度简化解,识别出了索的各阶频率和阻尼比。     

Modal damping evaluation of hybrid FRP cable with smart dampers for long-span cable-stayed bridges

The paper presents a theoretical evaluation on modal damping of hybrid fiber reinforced polymer (FRP) cable with smart damper design in long-span cable-stayed bridge. The principles and design consideration of smart dampers were first clarified. Based on the energy principle, the theoretical equations of modal damping were derived for in-plane and out-of-plane vibrations, respectively. The parameters that influence the damping effect were further analyzed. Finally, an example of hybrid basalt and carbon FRP cable with smart dampers was selected to evaluate damping ratio in terms of the equations derived in the paper. The results show that (1) the smart dampers with discontinuous distribution benefit not only static and dynamic behavior of a cable but also optimization of damping; (2) the gap width, bonding, length and modulus of each smart damper can be optimized to obtain maximum of potential damping; (3) an example of smart damper designed hybrid FRP cable demonstrates its effectiveness for mitigating large magnitude of in-plane vibration, while more dominant damping effect is observed for suppressing out-of-plane vibration.     

斜拉桥动力分析的三维有限单元模型

建立了一种三维斜拉桥的有限单元模型，并将其用于ＫａｐＳｈｕｉＭｕｎ斜拉桥动态特性分析。同时考虑了各种结构参数（结构质量的分布和偏心，结构刚度，索单元划分，索自重垂度，边界条件等）对斜拉桥自振特性的影响。数值计算结果与脉动试验结果较吻合，说明了该有限单元模型几乎能够分析出斜拉桥所有重要的动力特性     

基于二维频域光学振动相干层析的悬臂梁模态频率质量称量方法

该研究提出了基于二维频域光学振动层析(2D-FOCVT)获得悬臂梁模态频率从而实现对质量的高精度检测。在带集中质量悬臂梁固有频率计算理论和方法的基础上,对不同质量(系数)下悬臂梁前三阶频率(系数)与集中质量(系数)关系做了分析,比较了前三阶频率对集中质量变化的敏感性。利用自研发的2D-FOCVT系统实验测试了悬臂梁结构在附加集中质量下的一阶频率,对悬臂梁集中质量—一阶频率关系做了拟合,由此提出了应用一阶频率对质量变化的敏感性实现质量的检测方法。实验结果表明,自搭建的2D-FOCVT能提供纳米量级的振动位移精度,同时创新性地将2D-FOCVT结合模态分析进行附加质量块的质量称量,拓展了2D-FOCVT的应用。     

输流管道耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。通过实验和数值分析研究输流管道在流固耦合作用下的振动模态、幅频响应等动力特性的变化规律。根据流体三维波动方程和管道动力学方程之间的耦合关系建立空间输流管道系统的直接流固耦合动力有限元模型,进行管道系统有无流体两种工况下的模态实验。通过和实验结果的对比,验证了输流管道耦合动力学模型的合理性和流体对管道模态的影响,研究了不同频率下流固耦合特性对管道幅频响应的影响及作用机理。发现水介质流体显著降低了管道固有频率,但是在不同频率下流体对管道幅频响应的作用效果并不相同。     

弯曲刚度对斜拉索非线性固有频率的影响

考虑斜拉索的弯曲刚度、垂度及几何非线性,利用Hamilton变分原理推导了斜拉索的三维非线性动力学方程。研究了斜拉索弯曲刚度对面内、面外的一阶及高阶固有频率的影响,并分析了斜拉索长度和初张力等参数对固有频率的影响。结果表明:弯曲刚度对面外固有频率的影响大于面内;随着斜拉索的长度和初张力的增加,弯曲刚度对面外固有频率的影响递减,对面内固有频率的影响呈钟罩型变化;弯曲刚度对固有频率的影响随着振型阶数的增加而变大。     

DQE方法及其在平板振动分析中的应用

介绍一种新的数值方法－DQE方法用以分析具有不连续几何形状和具有集中质量平板的自由振动,其基本思想是根据平板的具体情况将求解区域分割为几个单元,在每个单元内部用DQ方法将其控制方程离散,各单元之间的连接点上应用平衡条件和连续条件,再加上边界约束条件可得到问题的特征方程。作为数值算例,计算了具有集中质量平板和L型平板的固有频率,并与已有数值结果作了比较。     

黏弹性Pasternak地基梁振动的复模态分析

运用复模态分析研究了有限长黏弹性Pasternak地基梁的振动特性,将梁的振动方程写成状态方程,利用复模态的正交性解耦为常微分方程组,得出复频率和复模态及任意初始条件下外激励的响应。通过两个具体算例对比,分析了简支边界条件下的Pasternak地基梁的固有频率和模态函数的特征,并通过文中给出的复模态函数,计算了两种典型外激励作用下的动力响应。     

The dynamic analysis of a suspended cable due to a moving load

The dynamic behaviour of a saggy suspension cable under a moving load was investigated. First of all, the updated Lagrangian formulation and the finite element method were used to derive the property matrices of a saggy suspension cable in order to define the discretized equations of motion. Then, the Jacobi method was applied to the determination of the natural frequencies and the mode shapes of the suspended cable. The moving-load-induced dynamic responses of the saggy suspended cable were obtained by using the Newmark direct integration method incorporated with the Newton–Raphson iteration technique. The influence of some pertinent factors, such as speed of moving load, ratio of axial rigidity to total cable weight (AE/⁰m?g⁰L) and ratio of moving load mass to total cable mass, is the key point of the dynamic analysis.     

黏弹性三参数地基梁横向自由振动

将复模态方法推广至地基梁系统的振动分析中,研究了三参数描述的黏弹性Pasternak地基梁的横向振动特征,得到不同边界条件下的频率方程的近似解析式以及模态函数表达式。采用数值方法近似求解复模态分析得到的超越方程,并运用微分求积方法数值加以验证。通过具体算例,分析了边界条件、刚度系数以及地基黏性系数等对固有频率和模态函数的影响。研究结果表明,微分求积法的数值解与复模态的近似解析解吻合的很好。