倾斜支撑条件下两端铰支输流管道的振动响应特性分析

研究不同倾斜支撑条件下两端铰支输流管道的振动响应特性。建立了与竖直方向夹角为θ支撑条件下两端铰支输流管道的运动学方程;在无运动约束时,给出了系统振动响应的分岔图,分析了振动响应随支撑角度变化的演化特征;通过与无约束情形的对比分析,讨论了运动约束和重力参数给系统振动响应带来的影响。结果表明,随支撑角度的改变,系统振动响应产生分岔现象是普遍的,并且运动约束可适度减小振动响应幅值,较大重力参数会使斜支管道振动响应特征趋于单一,可通过调节相应参数值来改变管道振动响应的特征。     

扭转弹簧约束复合材料层压梁的自由振动EI北大核心CSCD

基于伽辽金法推导了扭转弹簧约束复合材料层压梁自由振动的显式解析解。当复合材料层压梁两端的扭转弹簧刚度系数相等时,层压梁的横向挠度函数由两端简支梁的振动特征函数和两端固支梁修正的振动特征函数线性组合而成;当复合材料层压梁两端的扭转弹簧刚度系数不相等时,层压梁的横向挠度函数则由简支-固支梁的振动特征函数,固支-简支梁修正的振动特征函数和两端固支梁修正的振动特征函数线性组合而成。所构造的横向挠度函数可以避免扭转弹簧约束复合材料层压梁的经典振动特征函数在高阶(≥11)模态时出现的数值不稳定现象;研究表明,给出的显式解析表达式能有效地对扭转弹簧约束复合材料层压梁的自由振动进行分析。     

基于分离系数矩阵差分法的输流管道轴向耦合响应特性研究

利用分离系数矩阵差分法配合隐式欧拉法,针对输流直管轴向振动流固耦合-四方程模型进行数值仿真计算,研究在水锤激励下,输流直管耦合轴向振动响应特性。分离系数矩阵差分法避开特征线法复杂的时间或空间插值,能根据波的传播方向选择适当的差分公式进行计算,简单可行且稳定性较好。将该数值模式的计算结果与前人的数值结果和经典水锤理论对比,吻合良好,表明其具有较高的适应性和准确性。对比分析了仅考虑泊松耦合时和同时考虑泊松与连接两种耦合时,流体流速、管内压强、轴向管道振动速度以及管壁应力四个特征参数的响应特性。结果表明,两种耦合作用对管道轴向振动特性的影响不容忽视,泊松耦合主要影响振动响应幅值,而连接耦合不仅会影响振动幅值,还会影响振动频率。     

多边界条件下海洋温差能冷水管动力响应分析

深层冷海水提升过程中，超大流量会诱发冷水管振动和失稳。为了揭示冷海水提升过程的管道动力响应机理，基于Euler-Bernoulli梁模型，全面考虑管道所处海洋工况，建立动力响应计算分析模型，结合广义积分变换法，求解出多边界条件下振动方程的半解析解，给出了管道动力响应的时效解答。结果表明，结构阻尼仅减少在无外流下的管道振幅。内流流速对管道振幅的影响，在固支-自由边界条件下最大，在简支-加配重块边界条件下最小。但在外流作用下，内流流速仅对固支-加配重块边界条件的管道振幅影响显著。管道在不同边界条件下的固有频率和临界失稳流速不同。增大内流，管道在固支-固支和简支-简支的边界条件下的固有频率会逐渐减小直至为零。     

转炉用扭力杆系统振动理论研究

扭力杆系统的动态特性对转炉设备工作的可靠性有着重要影响,研究其振动频率和阵型是设备自主创新的关键技术之一。综合考虑扭力杆系统实际结构组成,提出了均质杆和集中质量杆一端铰支另一端简支反对称弯曲振动梁、均质杆和集中质量杆一端固支另一端简支反对称弯曲振动梁等四种振动模型。以某厂150 t氧气顶吹转炉扭力杆系统为例进行了理论计算。结果表明,扭力杆系统振动模型采用集中质量杆一端固支和一端简支反对称弯曲振动梁模型更合理。并用有限元法对其正确性进行了验证,两种方法的计算结果吻合,都可以对扭力杆系统进行研究,但是理论解更为简单方便,便于工程技术人员直接引用,为指导工程实际设计和生产提供了理论基础。     

约束方式对橡胶高频振动测试结果的影响

针对不同约束方式对黏弹性材料高频振动性能的影响开展研究,比较2 000 Hz~6 000 Hz频率范围内不同约束方式对阻尼梁振动性能的相干性,并提取2 000 Hz~6 000 Hz内不同阶数的模态,采用有限元方法对不同约束方式阻尼梁的振动试验进行仿真。将模态试验结果与出现共振峰最多的中间节点的速度传递率进行对比,结果表明:两端固支竖直放置工况的相干性最优,两端固支竖直放置工况的试验结果与一端固支竖直放置工况相比与仿真结果更吻合,有关结论为用振动梁法在高频振动条件下测试黏弹性橡胶材料时约束方式的选择提供参考依据。     

模态数量对薄壁短圆柱壳振动响应分析的影响

采用振型叠加法研究薄壁短圆柱壳受谐波激励的振动响应分析时模态截断数量的影响,且考虑简支-简支、固支-固支和固支-自由三种约束条件。首先基于Love壳体理论建立薄壁短圆柱壳的动力学模型。然后,给出采用振型叠加法进行薄壁短圆柱壳受径向谐波激励时的振动响应求解方法。在三种不同约束条件下,计算采用不同模态截断数量时的稳态响应的振动幅值,对比其一致性,并与实测结果进行比较。结果表明,在这三种约束条件下计算受谐波激励薄壁短圆柱壳的振动响应,需要截取前8阶模态函数用于表征位移模式;模态数据超过8阶对响应计算的精度没有明显改善,实测振动响应结果与解析结果基本吻合。     

弹性支承梁损伤识别的二步方法

采用边界为弹簧－集中质量梁模型,考虑梁振动时边界条件对频率与振型的影响。利用摄动原理,推导了由边界为弹簧－集中质量模态求等效的一端固支一端铰支简支梁振动模态的公式,进而采用广义逆方法识别一端固支－端铰支梁的损伤。以实例证明这种模态还原法与广义逆方法联合使用的二步损伤识别方法的准确性与实用性。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

航空输流管道动力学的非参模型研究

针对航空工业中管道上卡箍支承的不确定性,采用适用于系统误差的非参法,对输流管道进行建模、仿真并预测管道振动特性。将输流直管上卡箍简化为简支和扭转弹簧,采用尺度为3,阶数为4的区间样条小波有限元离散管道振动微分方程,将卡箍所影响的系统刚度矩阵视为不确定性,以非参法生成随机模型。通过数值结果对比,对于频率响应曲线,非参模型的可信区间完美包含均值模型;随着频率的增大,不确定性对高阶频率影响越大;对于频率随流速变化曲线,非参模型的可信区间完美地包含均值模型,随着流速的增大,不确定性对每阶频率的实部影响越来越小,而对虚部影响越来越大,且不确定性对发散和颤振失稳没有影响。     

高雷诺数范围内不同形状柱体流致振动特性研究

流致振动是自然界和工程领域中普遍存在的一种流固耦合现象,其流固耦合过程非常复杂,涉及许多科学上的难题,一直是国际前沿研究热点之一。针对不同截面形状柱体的流致振动进行数值计算,研究高雷诺数范围内(30 000≤Re≤110 000)柱体流致振动特性,分析柱体振幅、频率和尾迹旋涡形态。结果表明,粗糙表面圆柱和类梯形柱Ⅰ的的流致振动响应强于其他形状柱体,最大振幅达到3.5D。圆柱、方柱、三角柱和类梯形柱Ⅰ的流致振动随来流速度变化均观察到明显的涡致振动初始分支、上部分支和驰振。类梯形柱Ⅱ出现高频低幅振动,未观察到明显的振动分支。另外,柱体流致振动振幅和频率与尾迹旋涡形态紧密相关,在不同的振动分支,尾迹呈现出不同的旋涡形态。     

黏弹性Pasternak地基上两跨连续Timoshenko梁横向自振特性分析

以黏弹性Pasternak地基上的Timoshenko梁为研究对象，研究其在两端简支、两端固支、简支-固支边界条件下的单跨地基梁及两跨连续地基梁(等跨和不等跨两种工况)的自振频率、衰减系数和模态。基于回传射线矩阵法，根据各种约束条件下的节点耦合条件，推导横向振动频率方程，通过观察两跨连续地基梁与单跨地基梁的频率方程，并通过具体算例，研究两跨连续地基梁与单跨地基梁自振频率之间的联系与区别，进一步给出前三阶模态。结果表明：两等跨连续地基梁自振频率方程可分为两个部分，且这两部分分别与两端简支和简支-固支边界条件下单跨地基梁的频率方程形式类同；其奇数阶自振频率与两端简支边界条件下单跨地基梁的偶数阶自振频率相等，而其偶数阶自振频率则与两端固支边界条件下单跨地基梁的偶数阶自振频率相同；不等跨的两跨连续Timoshenko地基梁的模态函数曲线幅值随阶数的增加降低最快。     

功能梯度材料梁在后屈曲构型附近的自由振动

基于轴线可伸长杆的几何非线性理论,建立了由陶瓷和金属两种材料组成的功能梯度(FGM)梁在轴向载荷作用下后屈曲横向自由振动的精确模型,采用打靶法数值求解了一端可移简支一端固定的功能梯度梁在后屈曲附近的小振幅自由振动,获得了线性振动的响应,给出了不同梯度指标下FGM梁前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线.数值结果表明,屈曲前各阶频率随轴向力的增加而降低,而屈曲后轴向力对各阶频率影响不同     

钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能研究

传统结构构件设计较少考虑碰撞效应,因此有可能因碰撞荷载而引起严重的冲击破坏。鉴于此,在前期提出的刚柔复合防护结构体系的基础上,针对钢筋混凝土复合防护梁的抗撞性能进行了分析研究。在数值模拟的过程中,分别考虑了无防护、刚性防护、柔性防护和刚柔复合防护四种不同的措施以及两端固支、两端铰支和一端固支一端铰支三种不同的梁端约束形式。通过观测钢筋混凝土梁的应变、位移、加速度和冲击力等参数,可评价相应的抗撞效果。数值结果表明,提议的复合防护体系效果最好,可以有效抑制受撞构件的冲击响应;同时,构件约束形式对抗撞性能的影响也是不容忽视的。     

水锤激励下黏弹性输流直管轴向振动响应特性

针对水箱-管道-阀门系统,基于考虑了管壁黏滞作用的输流直管轴向振动流固耦合四方程模型,利用有限差分法和隐式欧拉法,配合牛顿-拉夫逊方法,研究弹性和黏弹性管道在水锤激励下的轴向耦合振动响应特性,对比分析了泊松耦合和连接耦合对管道振动响应特性的影响,并与前人的数值结果和实验成果对比,吻合良好。结果表明:两种耦合作用对管道轴向振动影响不容忽视;只考虑泊松耦合时,管内脉动压力水头增大明显,振动加快;同时考虑泊松耦合和连接耦合时,振动更加复杂,压力水头响应曲线更加不规则;黏弹性管道与弹性管道轴向振动响应特性差别明显,黏弹性管道脉动压力水头会随时间迅速衰减,且相位较弹性管道延迟,而弹性管道脉动压力水头无衰减趋势。     

叠层板状结构流致振动特性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行求解,研究系统零流速状态的固有频率和模态,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式。结果表明,悬臂支承模型发生颤振失稳;两端固支模型发生屈曲失稳。     

加热弹性梁在热过屈曲构形附近的自由振动

基于轴向可伸长梁的几何非线性理论建立了弹性直梁在热过屈曲静态大变形附近自由振动的几何非线性模型。在小振幅振动假设下,简化得到热过屈曲梁线性振动的控制方程。采用打靶法分别获得了两端不可移简支(pinned-pinned)和两端固定(fixed-fixed)梁的前四阶固有频率与升温之间的特征关系曲线。数值结果表明,梁在未屈曲时,各阶频率都随升温而单调下降。在过屈曲后,两端不可移简支梁的前两阶频率随升温单调上升,三、四阶频率随升温而单调下降。但是,两端固定梁在过屈曲后的各阶频率都随升温而单调增加。因此,可以通过温度调控来实现对结构固有频率的调整。     

大跨悬索桥吊索阻尼比影响因素分析

确定大跨悬索桥吊索的阻尼比及其影响因素是设计中的难点,且目前吊索流固耦合二维数值计算中吊索阻尼比取值的实际工程意义不太明确,为了利用二维流固耦合计算实际工程中吊索的风振特性,其中吊索断面刚度和阻尼的取值至关重要,为了研究吊索断面的阻尼特性,采用自由振动衰减法和有限元方法分析了吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索位置对吊索阻尼比的影响。结果表明:吊索阻尼比随其初始张力的增大而增大,吊索阻尼比随其直径和长度的增大而减小;吊索阻尼比随风速的变化而变化;吊索两端为固定端约束时的阻尼比大于吊索两端为固定铰约束时的阻尼比;吊索的跨中阻尼比最小,从跨中向两端吊索阻尼比逐渐增大。因此在吊索流固耦合计算时,吊索阻尼比的取值随吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索位置的不同而不同。     

考虑底板与池壁相互作用和池壁剪切变形影响的圆形水池动力特性计算

考虑圆形水池池壁剪切变形的影响、底板对池壁的径向约束作用和转动约束作用,将圆形水池底板与池壁的相互作用简化成端部受切向弹性约束和转动弹性约束下的弹性地基Timoshenko梁,基于Timoshenko梁振动的修正理论,导出了底部环向简支、顶部分别为自由、铰支和固支三种边界条件下的振动频率超越方程;根据池壁和弹性地基梁微分方程的类比性,阐述了利用ANSYS建立圆形水池振动模态分析的有限元方法。利用二分法对底板环形简支的圆形水池的振动频率进行了计算,分析了顶部不同边界条件、池高、池的半径和底板对池壁弯曲约束刚度对池壁振动频率的影响。得到了圆形水池轴对称振动可采用弹簧-质量模型进行基频估算、该文所建立的分析方法只能分析圆形水池的轴对称振动模态、圆形水池底板与池壁相互作用对基频影响不明显、壁厚的剪切变形和转动惯量对高阶振动影响大等结论。     

基于有限积分法的输流直管轴向流固耦合有限积分法数值模拟

针对弹性输流直管轴向耦合振动四方程模型,应用有限积分法分别配合隐式欧拉法和拉普拉斯数值反演法建立两种不同的数值模式,研究瞬时关阀时输流直管轴向耦合振动响应特性。采用径向基函数和多项式基函数组成的混合函数通过节点构造有限积分法的插值函数,将函数积分结果转换为节点函数值的线性累加,简单易行且稳定性好。将所提出的数值模式计算结果与前人的研究成果进行对比,吻合良好,表明有限积分法在处理间断波问题时具有较高的鲁棒性和稳定性,可精确地捕捉到水锤压力的非线性变化过程,但在时间项处理上,拉普拉斯数值反演法在间断处存在一定的数值振荡,隐式欧拉法并未出现,可见在水击问题上有限积分法配合隐式欧拉法的精度更高、稳定性更好。研究结果表明:在考虑泊松和连接耦合共同作用时,管道压力水头波动与经典水锤相比,相位出现延迟,与只有泊松耦合相比,由于管道的振动叠加了与液体产生的强迫振动,压力脉动明显加剧。