基于本征梁理论的非线性大挠度柔性梁无网格动力学计算

本征梁方程是一种建立在Frenet标架上的,具有精确几何变形描述能力的梁的动力学控制方程,具有非线性阶数低、方程形式简洁的优点。提出了一种与本征梁方程相适应的无网格离散和相应的计算方法。针对本征梁方程的特点,引入配点型无网格方法对本征梁方程进行离散化处理,推导出了仅具有一阶导数和二阶非线性项的本征梁运动控制方程。采取此方法建立的大柔性梁在动力学计算过程中无需背景网格,避免了常规有限元建模所需的网格积分。利用这一特性,无需像传统非线性有限元分析那样在每一个计算时间步上进行的网格积分运算,简化了计算步骤。数值算例结果表明此方法具有很好的计算精度。     

非线性粘弹性桩耦合运动中的混沌分析

研究轴向周期载荷作用下非线性粘弹性桩纵横向耦合运动中的混沌运动。桩体材料满足Leaderman非线性粘弹性本构关系和近似的非线性几何关系，考虑桩体发生纵横向运动的耦合，得到的方程为耦合的非线性偏微分一积分方程；利用Galerkin方法将方程简化并进行数值计算，揭示非线性粘弹性桩的混沌运动和分岔等动力学行为。     

受压旋转钻柱非线性动力学与分叉研究

在水平井钻井过程中,钻柱由于受压很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。该文将受压柔性旋转钻柱简化为柔性旋转梁,将钻柱受到的复杂载荷简化到柔性旋转梁系统中,基于vonKarman理论建立了柔性钻柱的动力学方程,再利用Galerkin法离散偏微分方程,得到了钻柱的非线性控制方程,并且利用多尺度法得到了平均方程。运用非线性动力学的方法分析柔性旋转梁在共振情况下的复杂动力学响应,得出系统中钻柱旋转角速度对非线性动力学响应的变化规律。研究结果可为水平井钻井过程中减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本提供参考。     

非均匀热载荷作用下功能梯度梁的非线性静态响应

由于功能梯度材料结构沿厚度方向的非均匀材料特性,使得夹紧和简支条件的功能梯度梁有着相当不同的行为特征。该文给出了热载荷作用下,功能梯度梁非线性静态响应的精确解。基于非线性经典梁理论和物理中面的概念导出了功能梯度梁的非线性控制方程。将两个方程化简为一个四阶积分-微分方程。对于两端夹紧的功能梯度梁,其方程和相应的边界条件构成微分特征值问题;但对于两端简支的功能梯度梁,由于非齐次边界条件,将不会得到一个特征值问题。导致了夹紧与简支的功能梯度梁有着完全不同的行为特征。直接求解该积分-微分方程,得到了梁过屈曲和弯曲变形的闭合形式解。利用这个解可以分析梁的屈曲、过屈曲和非线性弯曲等非线性变形现象。最后,利用数值结果研究了材料梯度性质和热载荷对功能梯度梁非线性静态响应的影响。     

粘弹性Timoshenko梁非线性动力学行为的微分求积分析

对有限变形条件下,Timoshenko粘弹性梁非线性分析的数学模型应用推广的微分求积方法进行空域的离散,得到了简洁的矩阵形式的非线性数值逼近公式,时域上引进新的变量,得到了简支粘弹性梁运动的简化模型.然后利用非线性动力学中数值方法,分析了粘弹性Timoshenko梁的动力学行为.同时,为表明该方法的可靠性和有效性,研究了DQ解的收敛性和精确性.并考察了梁的材料、几何等参数对非线性粘弹性梁的动力学特性的影响.     

黏弹性轴向运动变张力梁非线性动力学

在黏弹性轴向运动梁横向参数振动的非线性动力学行为研究中,首次计入因速度变化引起的、沿梁的径向变化的、轴向变张力的影响。给出描述变张力轴向运动梁横向非线性振动的偏微分—积分控制方程。基于微分求积法给出轴向运动梁横向非线性参数振动的数值解,通过观察梁中点的位移、速度随时间变化的历程,识别轴向运动系统的非线性动力学行为。同时,通过从数值解中提取的相图、Poincaré映射图和频谱分析,考察轴向运动梁横向振动的分岔与混沌特性,揭示了工程应用中的非线性轴向运动系统的混沌动力学行为。     

惯性边界下带钢的非线性振动分析

根据连轧机轧制过程中带钢与轧辊的运动机理,将相邻两机架间的带钢简化为轴向运动的Euler梁,轧辊简化为定轴转动的惯性元件,建立Euler梁在惯性边界下的非线性振动力学模型。基于哈密顿原理建立轴向运动Euler梁的纵向和横向非线性振动微分方程,利用Kantorovich时间平均法简化运动方程和边界条件,并采用修正迭代法求解运动方程。最后通过数值计算获得了Euler梁非线性振动的幅频响应曲线,并讨论惯性边界条件下的轴向运动速度、长度和轧辊的转动惯量对Euler梁振动特性的影响。研究结果可为控制和分析连轧过程中带钢垂直振动提供重要的理论参考。     

非线性不对称弹性支承车辆-基础系统动力学建模

研究软支承下的车辆-基础系统动力学建模问题.将基础模拟为具有多个非线性、不对称弹性支承和阻尼器约束的Euler Beinoulli梁,利用分段线性化方法描述弹性支承的非线性刚度和阻尼特性,根据Hamilton原理和假设振型方法建立系统的运动方程,基于Newmark直接积分方法编制MATLAB二次开发函数,数值求解系统动力学响应,分析了支承约束非线性对系统动力学特性的影响.     

基于退化梁单元的混凝土结构徐变分析

应用退化梁单元分析了混凝土结构的徐变问题。在实际混凝土结构中,混凝土结构的徐变与混凝土开裂等非线性行为存在相互耦合作用。退化梁单元采用了三维结构的几何和物理方程,结合分块积分技术,可以方便地模拟钢筋混凝土结构的各种非线性行为。应用Trost-Bazant方法,建立了退化梁单元混凝土结构徐变分析计算方法。算例分析表明了计算结果的正确及在实际混凝土结构徐变分析中计入非线性行为的必要性。     

几何非线性空间梁的动力学建模与实验研究

建立了大变形细长空间梁的几何非线性动力学模型,并通过动力学实验验证建模理论的正确性。首先用曲梁中线上任意一点的3个绝对位置坐标和横截面的3个姿态角描述横截面的位置和姿态,建立了应变和曲率与位置坐标、姿态角的关系,在此基础上基于中线切线与横截面法线重合的假设,对节点广义坐标进行缩减,简化了动力学模型。用虚功原理建立了大变形细长空间梁的动力学方程,将该方法的计算时间与现有大型工程软件(LS-DYNA)进行比较,验证了方法的有效性。引入运动学约束方程,建立了气浮台和柔性空间梁系统的多体系统动力学方程。在大变形情况下,开展了气浮台和柔性空间梁系统的刚-柔耦合动力学实验,验证了几何非线性空间梁动力学模型的准确性。     

轴向运动黏弹性梁横向非线性受迫振动

运用微分求积法数值研究不同边界条件下轴向运动黏弹性梁受到简谐外激励的横向受迫     

纵向振动粘弹性桩的分叉和混沌运动

研究了轴向周期载荷作用下非线性粘弹性嵌岩桩纵向振动的混沌运动。假定桩和土体分别满足Leaderman非线性粘弹性本构关系和线性粘弹性本构关系,得到的运动方程为非线性积分-偏微分方程;利用Galerkin方法将方程简化,并进行了数值计算。数值结果表明纵向振动的非线性粘弹性桩可以通过准周期分叉的方式进入混沌运动。     

高速轴向运动梁横向受迫振动的稳态分析

在两端简支边界条件下,研究超临界速度范围内轴向运动梁横向非线性受迫振动的稳态响应。考虑Kelvin本构关系,通过坐标变换建立一个积分偏微分方程,以此描述高速轴向运动梁受到一个周期的外激励后所作的微幅振动。用8阶Galerkin方法截断标准控制方程,然后使用有限差分法计算受迫振动稳定的稳态响应。结果表明,在超临界速度范围,当激励频率接近前两阶固有频率时存在共振现象。     

A Novel Threshold Accelerometer With Postbuckling Structures for Airbag Restraint Systems

Based on the postbuckling theory of large deflection beams, the nonlinear stiffness of a postbuckling beam is deduced and in agreement with the results of buckling experiments. Then, a novel post machined threshold accelerometer is designed, which consists of eight oblique post beams with an inertial mass in the middle to ensure its single moving direction and an electrical contact part fabricated on the bottom of the inertial mass. The threshold accelerometer is an integration of a threshold sensor and an inertial driven actuator used in airbag restraint systems. When the acceleration reaches the threshold, the beams buckle and close the threshold accelerometer, and when it gets down to be a certain value, the accelerometer opens quickly under the effect of the elastic force developed by the postbuckling beams. Compared with the design models of other threshold accelerometers with linear beam structures, the nonlinear postbuckling beams are introduced as threshold sensing elements. A number of design factors such as the air film damping and the contact force are taken into full consideration, thus establishing the dynamic equation of the accelerometer under coupled forces. The dynamical simulation for the strong nonlinear system with elliptic integrals indicates its good threshold characteristic and high contact reliability. The threshold accelerometer responds within 4 ms when it is triggered by a threshold acceleration ac = 20 g, and cuts off quickly when the cutoff acceleration is under ad = 5 g. Meanwhile, the unstable contact time is only 0.02 ms for the contact force to reach 50 mN, which guarantees the contact resistance to be less than 20 mOmega. With the results of the dynamic simulation, supported by previous buckling experiments, the accelerometer can provide accurate threshold sensing without false actuations under interferences outside, especially electromagnetic and vibration interferences, and hence their wide applications in safe-arming systems.     

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。     

Nonlinear forced vibration analysis of clamped functionally graded beams

Multiple time scale solutions are presented to study the nonlinear forced vibration of a beam made of symmetric functionally graded (FG) materials based on Euler?CBernoulli beam theory and von Kármán geometric nonlinearity. It is assumed that material properties follow either exponential or power law distributions through the thickness direction. A Galerkin procedure is used to obtain a second-order nonlinear ordinary equation with cubic nonlinear term. The natural frequencies are obtained for the nonlinear problem. The effects of material property distribution and end supports on the nonlinear dynamic behavior of FG beams are discussed. Also, forced vibrations of the system in primary and secondary resonances have been studied, and the effects of different parameters on the frequency-response have been investigated.     

Nonlocal nonlinear bending and free vibration analysis of a rotating laminated nano cantilever beam

In this article, we present the nonlocal, nonlinear finite element formulations for the case of nonuniform rotating laminated nano cantilever beams using the Timoshenko beam theory. The surface stress effects are also taken into consideration. Nonlocal stress resultants are obtained by employing Eringen’s nonlocal differential model. Geometric nonlinearity is taken into account by using the Green Lagrange strain tensor. Numerical solutions of nonlinear bending and free vibration are presented. Parametric studies have been carried out to understand the effect of nonlocal parameter and surface stresses on bending and vibration behavior of cantilever beams. Also, the effects of angular velocity and hub radius on the vibration behavior of the cantilever beam are studied.