轴向功能梯度变截面Timoshenko梁自由振动的研究EI北大核心CSCD

功能梯度材料可以提高结构的强度、改善质量分布和保证工程结构的完整性,因此轴向功能梯度变截面梁已广泛应用于土木、机械和航空工程。提出了用插值矩阵法计算轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率;基于Timoshenko梁理论,将轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率的计算转化为一组非线性变系数常微分方程特征值问题;运用插值矩阵法可一次性地计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率,并可同时获取相应的振型函数。该方法对于材料梯度函数和截面几何轮廓的具体形式无任何限制条件,计算结果与现有结果对比,发现吻合良好,表明了该方法的有效性。     

新型并联梯度蜂窝结构的面内力学性能

借鉴并联弹簧系统的联接机制，基于功能梯度的概念建立了并联梯度蜂窝结构（HPD）的理论和有限元模型。从变形模式、平台应力和吸能性能三方面讨论了梯度系数对HPD面内力学特性的影响。研究结果表明，梯度系数只影响动态压缩下HPD的变形模式。当梯度系数较大时，并联梯度对HPD平台区域有显著提高，能量吸收能力也随之提高。本研究深刻了解并联梯度对HPD内在特性的影响具有十分重要的意义。      

轴向功能梯度变截面Timoshenko梁自由振动的研究

功能梯度材料可以提高结构的强度、改善质量分布和保证工程结构的完整性,因此轴向功能梯度变截面梁已广泛应用于土木、机械和航空工程。提出了用插值矩阵法计算轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率;基于Timoshenko梁理论,将轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率的计算转化为一组非线性变系数常微分方程特征值问题;运用插值矩阵法可一次性地计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率,并可同时获取相应的振型函数。该方法对于材料梯度函数和截面几何轮廓的具体形式无任何限制条件,计算结果与现有结果对比,发现吻合良好,表明了该方法的有效性。     

陶瓷氧化锆和金属钛合金FGM变截面立柱的过屈曲数值模拟

基于Mori-Tanaka等效特性模型,研究了功能梯度材料变截面立柱在均布载荷作用下的过屈曲行为。考虑几何方程、本构方程及平衡方程,建立了功能梯度材料变截面立柱在均布载荷作用下的过屈曲控制微分方程,其中假设材料性质沿厚度方向按幂率变化。采用打靶法获得了由陶瓷氧化锆和金属钛合金两相材料组成的FGM变截面立柱的屈曲和过屈曲行为数值解。给出了不同变截面系数和不同梯度指数下立柱的过屈曲平衡路径和平衡构形。讨论了截面变化系数、材料梯度指数对立柱屈曲和过屈曲行为的影响。     

弹性压应力波下轴向功能梯度变截面梁动力压曲稳定分析

基于微元法以及能量守恒原理,导出了轴向功能梯度变截面梁屈曲微分控制方程及应力波波前附加边界条件,研究了轴向功能梯度变截面梁屈曲与压应力波耦合动力屈曲问题。采用较为简单的数值方法,即将位移函数按Taylor级数或是Chebyshev多项式展开,从而将轴向功能梯度变截面梁屈曲问题的变系数微分控制方程转化为含参量的线性代数方程组,进而得到了含时间参量的动力屈曲问题特征方程,随后对轴向功能梯度变截面梁动力屈曲问题进行了数值研究,探讨了变截面和材料不均匀性对系统屈曲临界力参数的影响。研究表明,该数值方法具有很好的精度和收敛性。     

正交各向异性功能梯度材料平板振动分析

基于一阶剪切理论,研究四边简支正交各向异性功能梯度材料(FGM)板的自由振动和受迫振动。假设剪应力沿厚度方向呈抛物线分布,利用剪切应变能与剪切余能相等原理,得到正交各向异性功能梯度平板的剪切修正系数。利用虚位移原理得到功能梯度平板运动方程,并采用Navier方法对运动方程进行求解。通过与有关文献及有限元计算结果对比,验证该方法的正确性。在此基础上,分析厚度方向上由纤维和基体按照不同体积梯度分布的三种(P-,S-,C-FGM)平板的固有振动和受激振动特性,结果表明纤维体积分数变化区间越大,梯度型式及梯度指数对其振动特性影响越显著;纤维体积分数关于平板中面反对称分布(S-FGM)时,平板振动特性受梯度指数影响较小。     

基于能量法的变截面层合管整体稳定承载力计算方法

为计算变截面层合管杆件整体稳定承载力,提出一种基于能量法的理论计算模型。采用基于三维梁理论的层合管等效抗弯刚度计算方法,计算了等截面段、变截面段的等效工程弹性系数。在考虑剪切变形的影响以及杆件变截面对轴压挠曲线函数影响的基础上,基于能量法推导了变截面杆整体稳定承载力解析公式。以NASA复合材料变截面杆为算例,进行了理论计算和有限元数值模拟,结果显示:同时考虑上述两因素的理论计算结果与有限元结果最为接近,剪切变形对临界承载力的修正可达10%以上,轴压挠曲线函数的变化对承载力的修正约为1%,可忽略。以锥长和锥角为参数,对变截面杆的承载力、体积和承载效率进行双参数分析,发现变截面对弯曲变形能的影响远大于对剪切变形性能的影响,采用变截面形式能够提高层合管承载效率,且一定锥长下存在承载效率最高对应的最优锥角。     

负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应EI北大核心CSCD

根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理,提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型,利用ABAQUS软件研究了三维结构的动力学特性,分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式,并进行了实验验证,实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能,结果表明,在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他3种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。     

基于新型振型函数的渐细变截面悬臂梁的自由振动理论与实验研究

该文基于超几何函数和Meijer-G函数的线性组合构建了一种新的变截面悬臂梁的模态函数,该振型函数具有实系数、无近似、精度高等优点。该文分两个步骤验证该振型函数的有效性和精确性:第一步,证明该振型中的自由基频及模态函数形状的准确性;第二步,验证该振型函数在研究变截面梁非线性振动时的效果。第一步中,自由基频及归一化后模态函数形状的理论解、有限元解、有限元半解析解及实验的对照结果精度较好。第二步中,将模态函数代入变截面悬臂梁非线性振动的控制方程,得到了伽辽金截断后的常微分方程的弯曲非线性系数及惯性非线性系数,随后用能量平衡法得到了非线性自由振动时的幅频响应,最后用实验验证了该幅频响应。结果显示,激光位移传感器测得梁上的一个靶点的位移-时间历程图和用振型函数加幅频响应的理论解的预测值吻合,说明了该文方法在预测变截面悬臂梁非线性振动时变形情况的准确性。     

基于梯度塑性理论的动力软化问题分析

对于动力应变软化问题,采用梯度塑性模型进行分析,该模型能够有效地克服软化材料在有限元分析中的网格依赖性问题。对于动力非线性软化方程的求解则利用于基于参变量变分原理的参数二次规划方法。对于结构动力方程时域上的求解则采用传统的Newmark方法。本文的算法与传统方法相比在求解基于梯度塑性模型的非线性动力软化问题时保证了已有参数二次规划算法的优良特性,有实现简单与稳定性好等优点。给出的数值算例证实了本文的理论工作与所研制程序的正确性。     

离心场中含旋转梯度影响的弹性体动力特性分析

摘要：以含偶应力的弹性理论为基础,考虑小变形状态下弹性体的平动变形与旋转梯度,推导并给出了离心环境中一般弹性体运动与变形耦合动力学方程,以转角为独立变量,利用罚方法得到方程组的约束变分形式,构造了8结点48自由度的实体等参元,建立了离心场中含旋转梯度的一般弹性体动力特性分析的有限元模型。对绕中轴线旋转的悬臂梁进行动力特性分析,频率随转速的关系表明离心力和科氏力降低了该梁的一阶频率,但科氏力导致了二阶频率的上升,旋转梯度效应提高了弹性体的静力刚度,导致各阶频率出现刚化效应。     

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。     

The stability behavior of rotating composite shafts under axial compressive loads

This paper studies the stability behavior of a rotating composite shaft subjected to axial compressive loads using finite element method. The laminated composite shaft is modeled as a Timoshenko shaft by applying the equivalent modulus beam theory. Numerical results correlate well with the reported beam models. The critical speed of the thin-walled composite shaft is dependent on the stacking sequency, the length-radius ratio (L/R) and the boundary conditions. In addition, the effects of the rotational speeds and the disk location on the rotating shafts' stability are examined as well. The critical load of the rotating thin-walled composite shaft can be nearly assessed from the conventional buckling formulation.     

作大范围运动矩形薄板的建模理论和有限元离散方法

研究了作大范围运动薄板的耦合动力学建模理论和离散化方法。对作大范围运动的薄板建立了耦合动力学模型，计及了在结构动力学中对薄板动力学特性影响很小的二次耦合变形量。用有限元方法对秉性薄板进行离散，基于Jourdain速度变分原理导出了作大范围运动薄板的动力学方程。计算了作旋转运动的薄板的变形，将仿真结果与不计二次耦合变形量的传统方法进行比较表明，随着转速的提高，仿真结果出现明显的差异。此外，将本文有限元与假设模态法的计算结果进行比较，揭示了高速旋转时假设模态法的局限性，表明取无大范围运动的高阶模态可以提高假设模态法的计算精度。     

黄麻纤维毡吸声模型构建与试验验证

为更好地指导黄麻纤维毡的产品设计与应用,开展基于JCA吸声模型的黄麻纤维毡声学有限元模型构建与验证研究.利用阻抗管测取黄麻纤维毡吸声系数,并辨识出用JCA吸声模型表征的黄麻纤维毡相关物理特征参数,基于所建立黄麻纤维毡声学有限元模型获取其吸声系数和声压、声能分布.研究表明,黄麻纤维毡在高频率范围内具有较好吸声性能,其在中...     

含横向裂纹Jeffcott转子刚度及动力学特性研究

摘 要：以刚性支承的水平Jeffcott裂纹转子为研究对象,建立了不依赖于重力占优假设的动力学方程,在考虑裂纹张开区域对中性轴位置影响的基础上,利用中性轴理论研究裂纹的开闭规律,由截面惯性矩与惯性积得到开闭裂纹截面各方向刚度系数,详细讨论了不同裂纹深度和不同转速下系统的动力学行为。结果表明：裂纹的存在对截面的法向与切向刚度系数的影响较大,而耦合刚度系数则始终接近于零值;随着裂纹深度的增加,裂纹的开闭过渡过程越明显,系统响应的频谱图趋向复杂,高阶谐波分量更加明显;当转速等于一阶临界转速的分数倍时,系统的固有频率被激发,系统响应出现分数次共振现象。     

用动态刚度法分析旋转变截面梁横向振动特性

通过引入动态刚度法分析旋转变截面梁的振动特性。首先基于欧拉-伯努利梁理论给出旋转变截面梁自由振动方程,然后通过动态刚度法推导该旋转梁的动态刚度矩阵,最后运用MATLAB中的fzero函数求解特征值方程得到旋转梁横向振动的固有频率和模态振型。数值计算结果证明了动态刚度法的精度和有效性,同时分析了轮毂半径、转速以及渐变系数对固有频率的影响。     

带柔性静子结构高速转子支承刚度修正方法

针对某涡轴发动机带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子支承刚度的修正方法开展研究。以动力涡轮模拟转子为研究对象,建立了转子的有限元分析模型,基于SAMCEF分析软件计算得到了转子的前三阶临界转速和振型,在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的动力特性试验,分析确认了柔性过渡段是导致模拟转子前两阶临界转速存在较大计算误差的主要原因,基于临界转速试验结果,提出了一种转子支承刚度的修正方法并对模拟转子的支承刚度进行了修正,推算得到了柔性过渡段的横向刚度。其次,以真实动力涡轮转子为研究对象,按修正方法对真实动力涡轮转子的支承刚度进行了修正,支承刚度修正后其前两阶临界转速的计算误差大幅减小,验证了该修正方法的正确性,修正后的计算模型很好地反映了真实转子的实际情况。研究工作对类似高速转子支承刚度的修正有重要的指导意义,可有效提高航空发动机带柔性静子结构高速柔性转子的建模精度。     

高速旋转圆柱壳的自然频率和临界转速

应用能量法导出对应于任一转速的自然频率和临界转速的计算公式。结果表明每一阶主振动都有正向反向的两种频率。只有在长径比较小条件下才有环向第一阶正向临界转速且数值很大。反向临界转速则在环向第一和第二阶都存在。     

Aerothermoelastic analysis of composite laminated plates

The flutter behavior of a thermally buckled composite laminated plate is investigated in the frequency and time domains using the finite element method. Von Karman large deformation assumptions and quasi-steady aerodynamic theory are employed for the analysis. The effects of temperature gradient, panel length-to-width ratio, fiber orientation, and stacking sequence on aerothermoelastic behavior of the plate are studied in detail. The flutter boundary, buckling boundary, time history response, and phase plane plots of cross-ply and angle-ply laminates are presented. The numerical results show that temperature gradient induces thermal moments and increases the overall stiffness of the plate, and thus may increase the flutter boundary significantly. When the buckle pattern of the plate changes, the eigenvalues of the natural modes are changed suddenly and the sequence of the natural modes may be altered. Therefore, the change in the buckle pattern postpones the coalescence and the flutter boundary may increase. The change in the coalescence pair may also postpone the coalescence and increase the flutter boundary.