矩形中厚板自由振动问题的哈密顿体系与辛几何解法

以矩形中厚板的胡海昌方程为基础,将中厚板自由振动问题导入哈密顿体系,然后利用辛几何中的分离变量和本征函数展开的方法求出了对边简支板自由振动的精确解．文中采用的辛方法不必事先人为地引入试函数,而是通过完全理性的推导,从而突破了传统半逆解法的限制,使得问题的求解更加合理,易于推广．计算实例证明了本文推导结果的正确性．     

杆在固有振动中的对偶关系

本文研究线弹性均质材料杆的固有振动对偶问题,即两种杆在怎样的截面变化和齐次边界下具有相同固有频率.首先,通过纵向位移和内力的对偶描述,给出两种杆异截面对偶的截面变化条件和边界条件,并将其分类为固定-固定杆与自由-自由杆对偶,固定-自由杆与自由-固定杆对偶等.上述对偶杆具有相同固有频率,而两者的位移振型互为位置坐标的导数.其次,限定两种对偶杆的截面变化相同,给出杆的截面积函数表达式.此时,固定-固定杆与自由-自由杆构成同截面对偶,而固定-自由杆和自由-固定杆的同截面对偶彼此为镜像;等截面杆也具有上述对偶性质.最后,将上述研究推广到材料性质沿轴向变化的变截面杆固有振动对偶问题.文中所有结论均适用于圆轴在齐次边界条件下的扭转固有振动对偶问题.     

三阶剪切变形板的振动特性研究

对于中厚板或层合板而言,横向剪切变形的影响是显著的,采用三阶剪切变形理论比采用经典薄板理论和一阶剪切变形理论能更好的满足精度的要求,而且能更好地描述板的剪切变形和剪应力沿厚度方向的分布情况.本文用解析的方法研究了简支、自由和固定三种边界条件的任意组合下三阶剪切变形板的自由振动问题.首先应用哈密顿原理建立自由振动方程,再通过引入中间变量使得原来耦合的自由振动方程得到解耦和简化,基于分离变量法,利用边界条件得到基函数的表达式,利用Rayleigh-Ritz法,求得三阶剪切变形板在任意边界条件下的固有频率和振型.本文得到的结果可以为厚板在工程中的应用提供理论依据,具有较高的工程实际应用价值.     

双参数弹性地基上板的自由振动

建立了双参数弹性地基上的正交异性矩形薄板自由振动位移函数微分方程,并得到其一般解．这可用以精确地求解板在任意边界条件下的自由振动问题．以四边固定的正方形板为例进行了分析,计算过程简单,便于实际应用．亦适用于求解单参数弹性地基和各向同性板情形。     

采用人工神经网络求解薄板的自由振动问题

本文提出利用神经网络的非线性表示能力求解薄板的自由振动问题,分析了标准的ＢＰ算法及多种改进措施,采用动量法和自适应调整学习率的ＢＰ算法求解,比较几种计算方法的计算结果,表明采用人工神经网络计算薄板自由振动问题方法可行,结果令人满意     

不同位置四点支承矩形薄板的自由振动特性

研究不同位置四点支承条件下矩形薄板的自由振动特性.首先,在板结构模型的不同位置上引入横向约束弹簧,并设定人工弹簧的刚度值以模拟出四点支承的边界条件.然后,基于二维改进傅里叶级数表示结构的位移容许函数,其中改进部分的正弦附加项可解决以往位移函数在边界上可能存在的求导不连续问题.建立矩形板系统能量对应的泛函,令其取驻值建立线性方程组.最后,求解矩阵特征值问题得到点支承矩形板自由振动频率等参数,给出不同位置四点支承条件下矩形薄板的振动特性.所应用二维改进傅里叶级数法中,位移函数基于改进傅里叶级数展开时的附加项能够提高结果的精度和收敛速度.研究结果为不同位置点支承矩形板的自由振动问题提供一定的参考.     

陀螺系统微振动模态摄动分析与灵敏度计算

在状态空间下,将线性陀螺系统微振动问题导向哈密顿体系,可以得到一组加权共轭辛正交关系和模态展开定理．利用这种特点构造了陀螺系统模态摄动计算式与灵敏度计算式,从而解决了拉格朗日体系下陀螺系统模态摄动分析与灵敏度计算的困难,算例显示了文中计算方法的有效性．     

采用人工神经网络求解薄板的自动振动问题

本文提出利用神经网络的非线性表示能力求解薄板的自由振动问题,分析了标准的ＢＰ算法及多种改进措施,采用动量法和自适应调整学习率的ＢＰ算法求解,比较几种计算方法的计算结果,表明采用人工网络计算薄板振动问题方法可行,结果令人满意。     

辛几何形态下不同边界条件的薄板解析解

利用平面弹性与板弯曲的相似性理论,用直接法研究辛几何形态下的薄板弯曲问题。当薄板对边边界条件形式不同时,将其进行降阶形成对偶方程组,再利用分离变量法把问题转化为本征值问题求解。通过本征函数、辛正交关系、展开求解等手段得到了薄板的解析解。算例表明辛求解的有效性与快速收敛性。     

悬臂板条结构动力学与振动控制分析

基于Lagrange-Germain弹性薄板理论，采用Hamilton列式求解方法，研究了悬臂板动力学与振动控制问题．确定了平板中纵横振动模式存在的色散关系，给出了问题的解析解．基于乎板振动的构造解，对板条结构的振动实施了主动控制．本文还做了数值仿真，并对结果进行了分析讨论．     

Hamilton体系下中厚板静力弯曲和自由弯曲振动问题的一类模型及通解

对于中厚板的静力弯曲和自由弯曲振动问题,引入两个辅助函数,采用胡海昌在Reissner板理论基础上提出的中厚板微分方程及边界条件,将两类问题的控制方程引入Hamilton体系,分别得到Hamilton体系下中厚板静力弯曲和自由振动问题的微分方程组模型. 比较后得到了Hamilton体系下中厚板静力和振动问题的统一模型,其特点是: 微分方程组模型的统一形式中Hamilton矩阵在对角线位置有2个零子块矩阵. 对于中厚板静力和振动问题,比较了所得齐次微分方程组的特征根,给出齐次微分方程组的通解并进行了比较,从而使问题的求解更理性化和合理化,求解过程遵循一套统一的方法论,便于把这类解法推广到其它问题.     

The effect of nonlinear elasticity on the large amplitude free vibration behavior of elastic plates at small scale

The effect of nonlinear elasticity on the free vibration behavior of elastic plates has been evaluated by employing continuum mechanics model. The second-order non-linear stress–strain relationship has been considered and the Kirchhoff’s hypothesis has been applied on the elastic plate. The large deformation during vibration has also been considered. By using the Hamilton principle, the governing equations of the free vibration of the plate under different boundary condition have been obtained. In order to get the explicit solutions of the governing equations, the Galerkin’s method and the harmonic balance method have been utilized. The relationship between the vibration frequency and the vibration amplitude has been discussed and the vibration frequencies of different shaped plate have been compared. It is perceived that the nonlinear elasticity has a distinct effect on the free vibration of the plate.

     

轴向运动薄板非线性振动及其稳定性研究

应用增量谐波平衡法(IHB法)研究轴向运动薄板横向非线性振动特性及其稳定性.通过Hamilton原理推导出了非惯性参考系下四边简支轴向运动薄板的横向振动微分方程,然后利用Galerkin方法离散运动方程.对离散后的非线性方程组应用IHB法进行非线性振动分析,研究了在固有频率之比ω20/ω10接近于3:1情况下,外激励频率ω在ω10附近的具有内部共振的基谐波响应.最后用多元Floquet理论分析了系统周期解的稳定性,其中采用Hsu方法来计算转移矩阵.通过对具体例子的数值计算,分别得到了自由振动和不同外激励下的频幅相应曲线,通过对比运动梁模型和运动薄板模型的计算结果,分析了各种模型的适用范围.     

四边固支弹性矩形薄板的自由振动

首先弹性矩形薄板的动力学方程表示成为Hamilton正则方程,然后采用辛几何方法对全状态相变量进行分离变量,并利用得到的共扼辛正交归一关系,求出四边固支弹性矩形薄板的固有频率和振型的解析解表达式．由于在求解过程中不需要事先人为的选取挠度函数,而是从弹性矩形薄板的动力学基本方程出发,直接利用数学的方法求出可以满足四边固支边界条件下薄板的固有频率和振型的解析解表达式,使得问题的求解更加理论化和合理化．此外,还给出了计算实例来验证本文所采用的方法以及所推导出公式的正确性．     

A new energy harvester using a cross-ply cylindrical membrane shell integrated with PVDF layers

In this paper, we proposed a smart cylindrical membrane shell panel (SCMSP) model for vibration-based energy harvester. The SCMSP is made of an orthotropic elastic core covered by outer PVDF layers with transverse polarization vector. Electrodynamics governing equations of motion are derived by applying extended Hamilton’s principle. The governing equations are based on Donnell’s linear thin shell theory. The SCMSP displacement fields are expanded by means of double Fourier series satisfying immovable edges with free rotation boundary conditions and coupled system of linear partial differential equations are obtained. The discretized linear ordinary differential equations of motion are obtained using Galerkin method. The output power is taken as an indicating criterion for the generator. A parametric study for MEMS applications is conducted to predict the power generated due to radial harmonic ambient vibration. Optimal resistance value is also obtained for the particular electrode distribution that gives maximum output power. A low vibration amplitude (5?Pa), and a low-frequency (471.79?Hz) vibration source is targeted for the resonance operation, in which the output power of 0.4111?μW and peak-to-peak voltage of 0.2952?V are predicted.     

电磁与机械载荷作用下导电梁式板的超谐波共振

研究了电磁与机械载荷共同作用下梁式薄板的非线性超谐波共振问题．在给出薄板的电磁弹性运动基本方程及电磁力表达式的基础上,推得了横向稳恒磁场和机械载荷共同作用下梁式薄板的振动方程;应用伽辽金积分法,进一步导出了相应的非线性振动控制微分方程．采用多尺度法进行求解,得到了稳态运动下的幅频响应方程．最后,通过算例,给出了相应的幅频响应曲线图和时间历程图,分析了板厚、磁场及激励幅值对系统振动的影响．     

横向磁场中矩形薄板在分布载荷作用下混沌分析

在建立置于横向稳恒电磁场中,同时受横向均布载荷作用四边简支的金属矩形薄板的受力模型的基础上,推导了金属矩型薄板的磁弹性耦合动力学方程,求得了该模型振动系统的异宿轨道参数方程,并根据Melnikov函数方法,推导并求解了振动系统的异宿轨道的Melnikov函数,最后给出了判断该系统发生Smale马蹄变换意义下混沌运动的条件和混沌运动判据.由此可对矩形薄板在机械载荷和电磁载荷共同作用下的分岔和混沌进行分析.本文给出的方法可以推广到其他不同边界条件和不同外载荷条件下弹性薄板的磁弹性振动问题的研究.