基于索-梁结构的斜拉桥非线性振动仿真研究

本文建立了索-梁结构的有限元模型,对斜拉桥线性和非线性振动问题进行研究.首先对结构进行模态分析,发现结构振动表现出全局模态,局部模态以及混合模态,且索梁两者之间固有频率相互影响,对低阶频率影响较大,对高阶频率影响较小.其次,应用有限元软件对索-梁结构的自由振动和强迫振动进行仿真研究.结果表明：整个自由振动过程中频率有先增大后减小的趋势,且最终小于真实频率;在强迫振动中,观察到了丰富的非线性振动现象,包括索的亚谐波共振和内共振,与以往的实验和理论研究结果定性上得到验证;为斜拉桥全桥非线性动力学分析提供参考.     

压电复合材料悬臂板1∶3内共振的非线性动力学分析

本文以飞行器机翼为工程背景,将机翼简化为悬臂板模型,在应用经典板理论和Hamilton原理建立横向和面内激励共同作用下压电复合材料悬臂板的无量纲非线性偏微分方程的基础上,利用Galerkin方法将系统离散为两自由度的非线性常微分方程.然后考虑主参数共振-1∶3内共振,运用多尺度法将两自由度的系统控制方程进行摄动分析,推导出四维平均方程.基于四阶Runge-Kutta法,使用MATLAB软件研究了横向外激励幅值和压电参数项对压电复合材料悬臂板非线性动力学行为的影响.结果表明,系统存在周期和混沌运动,所得结论对实际工程具有指导意义.     

悬索的超谐波共振与1∶3内共振分析

研究了悬索在超谐波共振和1∶3内共振共同作用下的两模态响应.首先利用Galerkin方法对悬索的面内运动方程进行离散,得到无穷维离散模型.并利用多尺度法推导出悬索同时发生超谐波共振和1∶3内共振时的平均方程以及近似响应.最后研究了平均方程的稳态解以及垂跨比对幅频曲线、水平张力以及时间历程的影响.     

悬索的超谐波共振与1:3内共振分析

研究了悬索在超谐波共振和1:3内共振共同作用下的两模态响应.首先利用Galerkin方法对悬索的面内运动方程进行离散,得到无穷维离散模型.并利用多尺度法推导出悬索同时发生超谐波共振和1:3内共振时的平均方程以及近似响应.最后研究了平均方程的稳态解以及垂跨比对幅频曲线、水平张力以及时间历程的影响.     

CFRP索斜拉桥面内自由振动的多索梁模型及模态分析

为研究斜拉桥中索与梁、索与索之间的耦合振动问题,建立了斜拉桥的单梁-多索力学模型.考虑索的初始垂度引起的几何非线性因素的影响,将多索梁模型分段处理,基于索、梁经典的面内振动的微分方程,通过索、梁连接处的动态平衡条件,建立多索梁模型面内振动理论.以双索梁为例,应用分离变量法,结合边界条件,求解双索斜拉梁模型平面内自由振动的特征值问题.同时,建立双索梁的有限元模型,有限元所得结果与本文理论研究吻合良好.最后对CFRP索梁模型的各项相关重要参数进行分析,并将本文理论与课题组前期成果进行对比分析.研究表明,CFRP索能极大改善双索梁模型的基本动力学性能.增大拉索轴向刚度能明显提高模型的低阶频率,而梁弯曲刚度的提高对其高阶频率的提高比较明显.     

石墨烯树脂复合材料板1∶3内共振非线性动力学分析

石墨烯是一种新型的碳纳米材料,将石墨烯添加到不同基体中可达到增强基体力学性能,并优化结构的效果.本文主要研究了在悬臂边界条件下石墨烯复合材料板的非线性动力学行为,通过Halpin-Tsai模型计算了复合材料板的等效杨氏模量,运用一阶剪切板理论和Hamilton原理得到复合材料板的非线性动力学方程.通过模态缩聚,得到复合材料板横向位移的运动控制方程.应用Rayleigh-Ritz法计算出复合材料板的固有频率,发现第二阶与第四阶固有频率间存在1:3的关系.利用多尺度法研究了复合材料板在1:3内共振情况下的非线性振动响应,通过数值模拟分析了外激励对板结构非线性振动响应的影响.结果表明:横向外激励对复合材料板的非线性动力学行为影响较大,对实际工程具有一定的指导意义.     

圆弧拱的面内非线性动力学分析

对圆弧拱面内自由振动的频率和非线性内共振现象进行了研究.通过假设满足位移边界条件的振型函数对圆弧拱的面内非线性方程进行Galerkin一阶模态截断,先对派生系统的线性频率进行求解,就不同参数对频率的影响进行分析;然后利用多尺度法对离散模型进行求解.结果表明:截面高度对径向振动频率有显著影响,但是对切向振动频率影响很小;另外,就本文方程而言,可能存在三种内共振形式,但内共振现象的产生与否还决定于圆弧拱的边界条件.     

单侧主缆刚度损伤悬索桥的模态分析及1∶1内共振

悬索桥缆索在长期服役状态下损伤很难避免,单侧主缆刚度损伤会使系统出现主梁竖弯与扭转自由度间的耦合,这可能会进一步对悬索桥的模态和大振幅下的非线性响应造成影响.为此,建立了考虑单侧主缆刚度受损的七自由度悬索桥横截面模型,模态分析发现单侧主缆刚度损伤会使得系统前两阶固有频率曲线由交叉变为跃迁,导致两个本身相互独立的模态发生耦合.以此为基础,考虑悬索桥主缆刚度有损伤和未损伤两种工况,运用拓展的增量谐波平衡法(EIHB)计算系统在内共振条件下的非线性振动.研究结果表明：单侧主缆刚度有损伤的悬索桥在外部简谐激励下发生1:1内共振,系统能量表现出明显的转移现象;竖向和扭转简谐激励下,有损伤的悬索桥较未损伤工况响应幅值有所减小,但出现了两个共振响应峰值,对激励频率更为敏感.数值结果与利用Runge-Kutta法计算得到的结果吻合一致,验证了EIHB法的准确性.     

两自由度非线性系统1:3内共振的渐近摄动分析

提出了一种改进的渐近摄动法,并用该方法研究了同时含平方项和立方项的两自由度非线性系统在1:3内共振情况下的非线性动力学行为.分别在平均方程和原方程的基础上得到了幅频响应曲线和分叉图,对比表明两种结果基本吻合.改进后的渐近摄动法比原有渐近摄动法更容易应用于1:3内共振情况.     

1:1内共振环形桁架天线的稳定性分析

复杂的太空环境易导致环形桁架天线产生大幅非线性振动,严重影响天线的稳定性和结构性能.在大幅的非线性振动中不同模态之间的能量可以相互传递和转换,将引起天线产生内振动.因此内共振在天线的大幅振动中起着重要的作用.本文所研究的环形桁架天线被简化成等效圆柱壳模型,建立其非线性动力学方程.根据有限元模态分析,得出环形桁架天线第四阶模态和第五阶模态的振动频率接近1:1.所以本文利用理论分析和数值计算研究1:1内共振情形下环形桁架天线的局部动力学性质.即系统受到小扰动后平衡点的稳定性.详细研究了两种不同形式下的平衡点的稳定性,即系统特征根为双零和两个负数时的稳定性以及系统特征根为双零和一对纯虚复数时的稳定性.利用中心流形理论、非线性变换、Routh-Hurwitz判据得到平衡点的稳定区域、不稳定区域和临界分岔曲线.最后通过数值模拟验证理论分析.