大型水平轴风力发电机桨叶稳定性研究

大型水平轴风力发电机桨叶为流-刚-柔耦合的周期时变多体系统。本文暂未考虑风载荷,分析了重力载荷和桨叶预锥角、转速等因素的变化对稳定性的影响。力学建模中,考虑了桨叶挥舞、摆振、扭转和轴向运动以及根部铰的挥舞、摆振和变矩等刚体运动。利用有限元法形成5节点18自由度的刚-柔混合梁单元模型,应用Hamilton原理建立桨叶动力学方程,求得对应的摄动方程,采用Newmark隐式积分方法求解。根据Floquet理论判断运动稳定性,计算了相关转换矩阵的特征值。结果表明预锥角对桨叶运动稳定性影响不容忽视。在通常的工况下,桨叶能够稳定地运转。     

大型水平轴风力发电机浆叶稳定性研究

大型水平轴风力发电机桨叶为流－刚－柔耦合的周期时变多体系统。本文暂未考虑风载荷，分析了重力载荷和桨叶预锥角、转速等因素的变化对稳定性的影响。力学建模中，考虑了桨叶挥舞、摆振、扭转和轴向运动以及根部铰的挥舞、摆振和变矩等刚体运动。利用有限元法形成5节点18自由度的刚－柔混合梁单元模型，应用Hamilton原理建立桨叶动力学方程，求得对应的摄动方程，采用Newmark隐式积分方法求解。根据Floquet理论判断运动稳定性，计算了相关转换矩阵的特征值。结果表明预锥角对桨叶运动稳定性影响不容忽视。在通常的工况下，桨叶能够 稳定地运转。     

具有复合材料柔性梁的无轴承旋翼气动弹性稳定性

建立了一种悬停状态下无轴承复合材料旋翼气动弹性稳定性分析的新模型。修正了Bauchau的大变形梁理论建立了无轴承复合材料旋翼桨叶的非线性应变-位移关系,根据复合材料的特点推导了桨叶的本构关系并构造了一个新的24自由度梁单元,桨叶视为多路传力系统,应用Hamilton原理建立了桨叶运动的有限元方程,分析了悬停状态下具有复合材料柔性梁无轴承旋翼气动弹性的稳定性。数值计算结果表明：（1）采用本文模型的无轴承旋翼气动弹性稳定性的计算结果与试验数据的吻合程度比传统的中等变形梁理论更好。（2）具有负变距-摆振耦合的复合材料柔性梁结构提高无轴承旋翼气动弹性的稳定性,正变距-摆振耦合的结构降低旋翼气动弹性的稳定性;负的铺层角比相同大小正的铺层角旋翼的气动弹性稳定性更好;铺层厚度减少有利于增加旋翼气动弹性的稳定性。     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

复合材料梁的几何精确非线性建模及非经典效应

基于Hodges的广义Timoshenko梁理论对具有任意剖面形状、任意材料分布及大变形的复合材料梁进行几何精确非线性建模,采用旋转张量分解法计算梁内任意一点的应变,采用变分渐近法确定梁剖面的任意翘曲,采用平衡方程由二次渐近精确的应变能导出广义Timoshenko应变能,采用广义Hamilton原理建立梁的几何精确非线性运动方程。将所建模型用于复合材料梁的静动力分析,通过与实验数据的对比,验证了建模方法的准确性,并进一步研究了剖面翘曲及横向剪切变形非经典效应对复合材料梁的影响。研究表明,剖面翘曲对复合材料梁的静变形和固有频率有显著影响,横向剪切变形对复合材料梁的静变形和固有频率的影响与梁的长度/剖面高度比有关。     

大变形薄壁复合材料旋转梁静动态特性分析

该文研究了大变形薄壁复合材料旋转梁的静、动态特性以及复合材料旋转梁不同铺层角、转速对固有频率的影响变化规律。在梁截面上设立翘曲节点引入翘曲变形,假设应变沿薄壁厚度呈二次曲线形式变化;由Hamilton原理,推导了复合材料梁的大变形公式;建立了考虑剪切、翘曲薄壁复合材料大变形梁静、动态分析的有限元模型,并编写了相应的计算程序。分析了复合材料薄壁梁大变形状态下的静态变形行为;在旋转状态下,考虑哥氏力影响,不同转速、不同铺层角对复合材料梁动态特性的影响。计算结果表明:能够用该文建立的模型计算复合材料梁的静动态特性,与相关文献计算结果进行比较,说明了模型的优越性。     

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。     

前飞状态下直升机旋翼系统气弹响应及稳定性分析

将铰接式直升机桨叶挥舞、摆振及变矩铰的刚性转角作为广义坐标,采用中等变形梁理论,结合有限元法,在旋转坐标系下,根据Ham ilton 原理推导出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。使用拟线性化方法及New m ark 数值积分技术求解桨叶的气弹响应。对稳态解进行摄动,应用Floquet理论分析桨叶的气弹稳定性。     

单向复合材料矩形截面非圆柱螺旋弹簧固有频率的参数研究

以各向异性自然弯扭梁理论为基础,首次导出了考虑簧丝截面翘曲变形的单向复合材料矩形截面非圆柱（锥形、双曲形和桶形）螺旋弹簧的运动微分方程,它们由14个变系数的一阶偏微分方程组成。同时得到了单向复合材料矩形截面杆件扭转翘曲函数的显式表达式。弹簧的固有频率和振动模态可以使用改进的Riccati传递矩阵法确定,单元传递矩阵则采用Scaling-Squaring方法以及Pad´e 逼近表达式进行计算。数值结果表明,对于单向复合材料矩形截面的非圆柱螺旋弹簧,翘曲变形对其固有频率有着重大的影响,在自由振动分析中必须加以考虑。最后研究了各种设计参数对单向复合材料矩形截面锥形弹簧固有频率的影响。     

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。     

Aeroelastic response and stability analysis of composite rotor blades in forward flight

The aeroelastic phenomena of a composite rotor blade are investigated using a finite element method. The aeroelastic equations of motion of the rotor blade are formulated using a large deflection-type beam model that has no artificial restrictions on the magnitudes of displacements and rotations due to the degree of nonlinearity. The sectional elastic constants of a composite box beam including warping deformations are determined from the refined cross-sectional finite element method. The nonlinear, periodic blade steady response is obtained using a time finite element method on full finite element equation. The aeroelastic stability of a rotor blade is investigated by linearizing the dynamics of the rotor blade about the nonlinear equilibrium position. Numerical results of the steady equilibrium deflections and the aeroelastic modal damping are presented for various configurations of composite rotor blades and are compared with those obtained from a previously published modal analysis using a moderate deflection-type beam theory.     

板桁组合结构空间计算的板桁梁段有限元法

本文考虑了板桁组合结构桥面板的局部屈曲，剪力滞后和板桁梁段截面畸变、翘曲、扭转与剪切变形的影响，利用横向有限条带法构造了桥面板板段的局部空间变位模式，提出了板桁梁段有限元法。该方法自由度少，计算精度高，能用于大型板桥组合结构的空间计算。     

钢-混凝土组合梁剪力滞效应弹性解析解

基于Gjelsvik组合梁滑移模型中引入描述组合梁翼板横向非均匀分布的纵向位移翘曲函数,建立一个能够同时考虑界面滑移和翼板剪力滞双重效应的钢-混凝土组合梁模型,并推导了简支组合梁在均布荷载和悬臂梁在梁端集中荷载作用下的解析解。采用有限元方法验证了理论模型和解析解的正确性和适用性。算例分析表明,组合梁的剪滞效应和界面滑移...     

考虑剪力滞后效应结合梁的长期性能计算

目前结构施工仿真计算多采用平面杆系有限元模型,而桥面板剪力滞后效应会使平面杆系模型分析结果产生误差.该文考虑混凝土的长期性能,引入翘曲位移形状函数与强度函数,描述结合梁剪力滞后效应.利用最小势能原理,以整体竖向挠度和翘曲强度函数为未知函数,推导出结合梁微段平衡微分方程及边界条件方程,引入“附加弯矩”描述剪力滞后效应对结构变形的影响;可根据具体结构形式的边界条件,得到结合梁模型变形的解析解.通过算例验证了模型和解析解的正确性,并分析了结合梁剪力滞后效应的时效性.考虑承受均布荷载的固端梁,采用现行规范有效宽度计算的结果介于弹性与粘弹性结果之间.利用该文计算方法,可以减小剪力滞后效应对杆系模型计算结果带来的误差.     

Analytic extraction of the elastic coupling mechanisms in composite blades

An aeroelastic model for a hingeless helicopter blade with a composite flex-beam is presented. The model employs structural analysis for laminated flex-beams of solid cross-sections with symmetric layup, and the study encompasses configurations with Beamwise Bending-Twist coupling and Chordwise Bending-Twist coupling. The structural dynamics of blades with coupled composite flex-beams is studied by a special purpose methodology that allows the creation of a refined uncoupled reference blade for each case. This procedure enables the determination of the net effects which are induced by the elastic couplings. By examining the stability characteristics of the blades in the frequency domain and their response in the time domain, the paper supplies additional information regarding the trade-off between stability and vibration characteristics in both the transient and the steady-state, forward-flight regimes. The analysis also examines the effect of different types of composite materials and quantitatively identifies the relation between elastic properties and their potential to improve blade stability margins.     

An improved model for naturally curved and twisted composite beams with closed thin-walled sections

This paper presents an improved model for naturally curved and twisted anisotropic beams with closed thin-walled cross-sections. By introducing eigenwarping functions and expanding axial displacements in series of eigenwarpings, the differential equation involving the generalized warping coordinate and the expression for eigenvalues can be derived using the principle of minimum potential energy. In the model the effects of some factors such as the initial curvature, torsion of the beams as well as torsion-related warping, transverse shear deformations and elastic coupling are incorporated. As an application, the present model is adopted to do an analysis for closed thin-walled composite box beams. Comparison with the existing experimental observation and numerical results shows that the proposed model is valid for analyzing such naturally curved and twisted beams.     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁解析解

通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。     

DYNAMIC RESPONSE OF ANISOTROPIC THIN-WALLED BEAMS TO BLAST AND HARMONICALLY OSCILLATING LOADS

The dynamic response of anisotropic thin-walled beams to blast and harmonically time-dependent loads is investigated. The structural model incorporates transverse shear, and warping restraint and includes the anisotropy of the constituent materials. As a result of the beneficial implications played by the bending-twist elastic coupling, the circumferentially asymmetric stiffness configuration, inducing such a coupling is adopted and the pertinent system of governing equations is used to study the dynamic response. Efficient solution methodologies able to predict the response to arbitrary and harmonic time-dependent excitations are used and some of the implications played by the anisotropy of beam material, transverse shear and secondary warping are outlined.