计及二阶效应的一种变截面梁精确单元刚度阵

推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通过虚位移原理获取单元刚度阵的方法,直接从计入二阶效应的单元平衡微分方程中得到变截面梁的载荷位移关系,进而得到有限元格式的变截面梁精确刚度阵。借助于变截面梁单元刚度阵,可导致与精确的微分方程解析法同样的计算精度。通过与几个经典算例和ANSYS计算结果比较表明:该精确刚度阵可直接应用于结构稳定性分析,获得变截面梁结构精确的欧拉临界力。     

动态刚度阵法的研究概况

动态刚度阵法被广泛的应用于工程结构振动分析中，尤其是在需要获得更高阶频率和更高精度的振动问题时。因为它不像传统的有限元方法和其它的近似方法，该方法通过极少的自由度就能较精确地计算出无数个固有频率和固有振型，所以也被称为精确方法。该方法的所有假设仅来自于建立该单元运动微分方程的经典理论，所形成的动态刚度阵是固有频率的超越函数，解决这类超越特征值问题的有效方法是Williams—Wittrick算法。     

弯曲板固有振动分析的动态有限元素法

本文把Przemieniecki动态有限元的概念推广应用于弯曲矩形板的固有振动分析。文中构造了满足控制微分方程的静态形状函数阵,并对二阶修正形状函数阵加以某种限制。使得所建立之弯曲板的运动方程,在不计频率高阶项时,能退化到常规分析的形式。从而,克服了Gupta所建立之薄膜及平面应变板动态有限元不能与常规分析相协调的缺点。最后,利用所建立之矩形板元的动态刚度及质量矩阵,计算了悬臂板的固有频率,得到合理的结果,证明了方法的有效性。     

复合材料加筋结构的流固耦合振动及动力响应分析

本文通过引用阻尼单元刚度阵法,并用结构有限元与流体边界元相结合的方法对复合材料结构的流固耦合振动及动力响应问题进行研究,较好地反映了复合材料结构动力响应特征。采用修正的RITZ向量法和Newmark直接积分法求解振动及动力响应问题,避免了质量阵因附连水质量阵不对称而引起的求解困难。作为数值分析例子,文中分别计算了船体悬臂板与加筋板结构的自由振动与动力响应问题,并对一复合材料舱段进行了水下爆炸当量载荷的振动与响应计算。     

计及二阶效应的梁杆系统动力响应分析方法研究

基于动力刚度法和有限元理论提出了一种考虑二阶效应计算梁杆动力响应的新方法。通过求解轴向力作用下Bernoulli-Euler 梁横向和轴向挠度自由振动微分方程,利用位移边界条件反解出待定系数,得到了动态精确形函数;使用经典有限元方法推导了考虑截面自身旋转惯量的质量阵和考虑二阶效应的刚度阵,该质量阵和刚度阵各元素均为轴力和圆频率的超越函数;建立了杆系结构瞬态动力学分析的动力平衡方程,给出了稳定和高效的求解方案。对几个典型的算例进行了计算分析,并与通用软件ANSYS 的计算结果进行了比较。计算结果表明:该分析梁杆系统动力响应的新方法具有较高的计算精度和效率,特别是能够准确地计入轴力对于梁杆动力响应的影响。     

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板（等效板）上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。该方法的优点是避免了加强筋的有限元建模,从而使有限元模型的复杂程度大大降低,但同时等效刚度结构有限元模型仍能反映机翼加筋壁板的结构特性。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。由于该方法具有简单快速和准确的优点,可用于机翼初步设计阶段对颤振特性的评估。     

基于抗振动疲劳的薄板加筋设计分析

振动是航空薄板常见的载荷形式,通常采用加强筋来减小振动幅度,从而提高薄板寿命.研究薄板的抗振动疲劳加筋方法,探讨加强筋与板的连接方式以及加强筋的布置方向对薄板振动与疲劳的影响机制.首先,基于振动理论和板筋变形协调条件,建立加筋薄板的运动方程.然后,建立铆接、点焊和滚焊连接形式的加筋薄板有限元模型,探讨连接单元的动力学建模方法;在此基础上,研究连接形式和加筋安装方向对薄板结构动力学特性的影响;最后,结合动力响应分析探讨板筋连接方式和加筋安装方向对疲劳寿命的影响.研究结果表明,双向加筋薄板在低频振动时刚度高于单向加筋薄板,双向加筋有利于提高结构抗疲劳强度,铆接单向加筋薄板的振动疲劳寿命最短.     

基于分层理论的螺栓连接夹芯复合材料加筋结构振动特性

针对采用螺栓连接方式固定的夹芯复合材料加筋结构,表层采用分层理论单元、芯层采用体单元,结合有限元方法计算固有频率和振型。通过试验验证,有限元计算结果与试验结果吻合,并得到了在有限元分析中模拟实际结构边界条件的处理方法。试验结果对比表明,与钢制结构相比,夹芯复合材料加筋结构前三阶固有频率提高2倍以上,夹芯复合材料加筋结构能大幅提高整体结构刚度,改善结构的振动特性。      

自由阻尼处理结构的有限元建模及声辐射分析

用整体划分单元法建立了一种四节点20个自由度自由阻尼处理薄板结构的有限元模型，用能量法推导了单元的刚度和质量矩阵。在用有限元法计算结构的动态响应特性的基础上，将每个单元划分为很多个微元，利用有限元分析得到结构表面振动速度，通过单元的形函数，求出微元上几个点的平均速度，作为微元的振动速度。以每个微元为一单位，分别计算声压和声功率之后叠加起来，即得整个结构的声辐射。算例表明，用此方法分析计算表面阻尼处理结构的动态特性和声辐射是可行的。     

高速船舱壁加筋板流固耦合振动分析

将结构有限元法和流体有限元法结合起来,根据Garlerkin法和Hamilton变分原理分别推导出离散的流体和结构的运动方程,用湿模态法求得流体附加质量矩阵,对高速船舱壁加筋板流固耦合系统进行了模态分析。并进行模态试验,研究不同水深时舱壁加筋板结构流固耦合振动模态,同时与有限元计算结果进行比较,从而揭示了该类结构流固耦合振动的动力特性,对舱壁加筋板结构的动力设计具有指导意义。     

阻尼夹芯复合材料加筋板的振动分析与数值模拟

以阻尼夹芯复合材料加筋板为研究对象,依据一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理,推导板和加强筋的应变能、动能表达式,采用变分原理建立控制微分方程,根据相关边界条件和傅里叶级数求解方程。建立了ANSYS阻尼夹芯复合材料加筋板的有限元模型,该模型考虑到阻尼夹芯复合材料加筋板中阻尼材料与纤维预浸料间的结合方式,用模态应变能有限元数值模拟方法研究了结构的动力学性能,并通过对数值模拟结果与理论解的比较,验证了模型的合理性和有效性。探讨了不同的筋条尺寸、不同的筋条数量、不同的筋条分布方式对阻尼夹芯复合材料加筋板动力学性能的影响,得出了阻尼夹芯复合材料加筋板的一阶模态频率和损耗因子随不同参数的变化曲线,其结论为阻尼夹芯复合材料加筋板的优化设计提供参考。     

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

A boundary condition in Padé series for frequency‐domain solution of wave propagation in unbounded domains

A boundary condition satisfying the radiation condition at infinity is frequently required in the numerical simulation of wave propagation in an unbounded domain. In a frequency domain analysis using finite elements, this boundary condition can be represented by the dynamic stiffness matrix of the unbounded domain defined on its boundary. A method for determining a Padé series of the dynamic stiffness matrix is proposed in this paper. This method starts from the scaled boundary finite‐element equation, which is a system of ordinary differential equations obtained by discretizing the boundary only. The coefficients of the Padé series are obtained directly from the ordinary differential equations, which are not actually solved for the dynamic stiffness matrix. The high rate of convergence of the Padé series with increasing order is demonstrated numerically. This technique is applicable to scalar waves and elastic vector waves propagating in anisotropic unbounded domains of irregular geometry. It can be combined seamlessly with standard finite elements. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

中厚椭球壳自由振动动力刚度法分析

介绍精确动力刚度法分析中厚椭球壳自由振动具体实施方法,据环向波数不同将中厚椭球壳自由振动分解为一系列确定环向波数的一维振动;利用控制方程Hamilton形式建立动力刚度关系,用常微分方程求解器COLSYS求解控制方程获得单元动力刚度,用Wittrick-Williams算法求得该环向波数下椭球壳自振频率。数值算例给出中厚圆球壳及椭球壳不同边界条件的自振频率,验证动力刚度法高效、可靠、精确。     

High-order free vibration analysis of sandwich beams with a flexible core using dynamic stiffness method

In this paper, high-order free vibration of three-layered symmetric sandwich beam is investigated using dynamic stiffness method. The governing partial differential equations of motion for one element are derived using Hamilton’s principle. This formulation leads to seven partial differential equations which are coupled in axial and bending deformations. For the harmonic motion, these equations are divided into two ordinary differential equations by considering the symmetrical sandwich beam. Closed form analytical solutions of these equations are determined. By applying the boundary conditions, the element dynamic stiffness matrix is developed. The element dynamic stiffness matrices are assembled and the boundary conditions of the beam are applied, so that the dynamic stiffness matrix of the beam is derived. Natural frequencies and mode shapes are computed by use of numerical techniques and the known Wittrick–Williams algorithm. Finally, some numerical examples are discussed using dynamic stiffness method.     

Free vibration analysis of sandwich beams using improved dynamic stiffness method

In this paper, free vibration of three-layered symmetric sandwich beam is investigated using dynamic stiffness and finite element methods. To determine the governing equations of motion by the present theory, the core density has been taken into consideration. The governing partial differential equations of motion for one element contained three layers are derived using Hamilton’s principle. This formulation leads to two partial differential equations which are coupled in axial and bending deformations. For the harmonic motion, these equations are combined to form one ordinary differential equation. Closed form analytical solution for this equation is determined. By applying the boundary conditions, the element dynamic stiffness matrix is developed. They are assembled and the boundary conditions of the beam are applied, so that the dynamic stiffness matrix of the beam is derived. Natural frequencies and mode shapes are computed by the use of numerical techniques and the known Wittrick–Williams algorithm. After validation of the present model, the effect of various parameters such as density, thickness and shear modulus of the core for various boundary conditions on the first natural frequency is studied.     

Flexural response to impulsive loads of a fluid-saturated thin poroelastic circular plate

Biot's poroelastic theory is used with classic plate theory and plane stress theory to determine the constitutive relationships for a thin poroelastic plate. The dynamic equations for the thin poroelastic plate are derived from the extended Hamilton's principle. The dynamic equations are then transformed to frequency domain and Galerkin's finite element method is used to derive the stiffness matrix of a triangular plate element. When impulsive loads and elastic boundary conditions are applied, the finite element frequency domain analysis for the thin poroelastic plates is achieved. Vibration behavior of thin elastic and poroelastic circular plates is accurately predicted.