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。     

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。     

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     

变截面梁横向振动特性的半解析法

提出一种计算变截面梁横向振动特性的半解析法。基于欧拉-伯努利梁理论给出的弯曲刚度、质量分布沿梁轴线连续或非连续变化的变截面梁横向振动方程;将该变截面梁等效为多段均匀梁,并基于相邻两段连接处的位移(位移、转角)和力(弯矩、剪力)的连续条件,建立了两相邻均匀段之间模态函数的关系;针对简支边界条件给出了计算变截面梁横向振动固有频率的特征方程和模态函数,并用Newton-Raphson方法计算其固有频率。通过与有限元法的数值结果比较说明半解析解的高精度和有效性。     

变截面复合材料薄壁转轴在不同约束下的振动与稳定性

该文针对复合材料变截面薄壁旋转轴在不同约束下的振动与稳定性问题,提出了一个动力学模型。基于变分渐进法和拉格朗日方程,推导了复合材料变截面薄壁转轴的自由振动方程。在转轴的结构模型中,综合考虑了扭转、拉伸和弯曲引起的截面翘曲的影响。采用伽辽金法,分析了截面按线性或者抛物线变化的变截面旋转轴的固有频率和临界转速,其中还考虑了一端固定一端自由和一端固定一端铰支两种边界条件以及复合材料铺层角的影响。此外,通过对比分析模型的计算结果与商用有限元软件ANSYS的结果,该文所提出的分析模型的有效性在一定程度上得到了验证。     

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。     

风力机叶片的自由振动特性分析

基于综合考虑拉伸、弯曲和扭转等变形对翘曲影响的位移函数,使用扩展拉格朗日方程,建立风力发电机复合材料翼型截面叶片的自由振动微分方程,并应用伽辽金法求解三种翼型截面叶片的固有频率,进而比较它们的自由振动特性,分析复合材料的铺层角度、截面尺寸和旋转速度等对翼型叶片的自由振动特性的影响。同时综合应用大型通用有限元软件ANSYS,三维造型软件Pro/E和前处理软件Hypermesh,计算叶片的固有频率与伽辽金法的求解结果进行对比,验证理论计算的正确性。     

SMA纤维复合材料变截面板簧的固有频率特性研究

摘 要:研究了形状记忆合金（SMA）纤维混杂复合材料变截面板簧的固有频率特性。基于Brinson本构模型,讨论了SMA的受限回复特性。在建立具有SMA纤维的各向异性层合梁本构方程的基础上,利用瑞利-里兹能量法求板簧的固有频率,并给出板簧固有频率的表达式。应用MATLAB进行数值计算,得到板簧固有频率与温度、铺层角、SMA含量的关系曲线,揭示了形状记忆合金纤维复合材料变截面板簧的固有频率可调节机理。     

热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究两端夹紧、一端夹紧一端简支、两端简支三种不同边界条件下的轴向运动功能梯度材料(FGM)梁在热冲击载荷作用下的自由振动响应。利用Hamilton原理推导热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动控制微分方程,并采用分离变量法求解一维热传导方程。通过微分求积法(DQM)在梁的长度方向进行离散,将原方程转化为四阶广义特征值问题,求解FGM梁自由振动的无量纲固有频率并进行特性分析。考虑了不同热冲击载荷,不同梯度指数和不同轴向运动无量纲速度对FGM梁自振频率的影响。结果表明:热冲击载荷越大,对降低FGM梁的固有频率的效果越明显;在轴向运动速度和热流输入不改变的情况下,逐渐增大材料梯度指数会使FGM梁的固有频率随之减小;FGM梁对热冲击短时间内有减缓作用,相对于均匀材料一阶失稳所需时间更长,受到热冲击的FGM梁在轴向运动时也更快达到失稳状态。     

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。     

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。     

SMA纤维混杂复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有频率

研究SMA纤维驱动下的复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有振动频率特性。根据作者提出的SMA主动纤维复合材料箱型悬臂梁的横截面二维分析模型,采用Hamilton原理导出具有拉伸-扭转-弯曲变形耦合的梁的自由振动偏微分方程组。由上述一般的弹性耦合振动方程出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置等特殊情形,并且给出拉伸-扭转耦合、弯曲-扭转耦合固有振动频率的精确解。通过数值计算,分析了SMA纤维在激活状态下对复合材料箱型薄壁悬臂梁固有频率的影响机理。     

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.     

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。     

Vibration analysis of thin-walled composite beams with I-shaped cross-sections

A general analytical model applicable to the vibration analysis of thin-walled composite I-beams with arbitrary lay-ups is developed. Based on the classical lamination theory, this model has been applied to the investigation of load–frequency interaction curves of thin-walled composite beams under various loads. The governing differential equations are derived from the Hamilton’s principle. A finite element model with seven degrees of freedoms per node is developed to solve the problem. Numerical results are obtained for thin-walled composite I-beams under uniformly distributed load, combined axial force and bending loads. The effects of fiber orientation, location of applied load, and types of loads on the natural frequencies and load–frequency interaction curves as well as vibration mode shapes are parametrically studied.     

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。