用Timoshenko梁修正理论研究功能梯度材料梁的动力响应

采用Timoshenko梁修正理论研究了功能梯度材料梁的动力响应问题,利用静力方程确定了功能梯度材料梁的中性轴位置,在此基础上应用Timoshenko梁修正理论建立了功能梯度材料梁的振动方程,求得其自振频率表达式及其在简谐荷载作用下强迫振动的解析解。讨论分析了中性面位置、梯度指数等因素对功能梯度材料梁的动力响应的影响,并用有限元法验证了Timoshenko梁修正理论。通过实例计算,得到了中性轴位置对功能梯度材料梁动力响应有较大影响的结论。     

功能梯度材料Timoshenko型剪切梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论,研究各向异性功能梯度材料梁的自由振动。假设材料参数沿梁厚度方向按同一函数规律变化,建立了功能梯度材料梁的振动方程,求得简支条件下其自振频率表达式。通过算例,给出指数函数梯度变化Timoshenko梁的自振频率和模态图,结果表明不同梯度变化对材料结构动力响应有较大影响。该方法为发展功能梯度材料梁的设计与数值计算提供了理论依据。     

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。     

具有中等组分不同网状结构功能梯度构件的三维动力特性分析

功能梯度材料具有复杂的细部结构,其内部构造远比匀质材料复杂,因此其构件动力分析很难求得其解析解。该文建议一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法。细观力学研究的目的在于建立材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,它可揭示不同的材料组合具有不同的宏观性能的内在机制。此法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析,而计算单元与自由度又等同一般常规有限元,却使得组成功能梯度材料构件的各种材料细观构造得到反映。通过细观元技术,对具有中等组分不同网状结构功能梯度构件进行三维动力特性分析,并给出其三维固有频率及振型的三维分布,特别是给出了不同网格结构功能梯度板件应力振型的平面等值线图差异。结果表明:不同细观网格结构对功能梯度材料结构三维动力响应有较明显影响。     

功能梯度梁在热冲击下的动态响应

基于Timoshenko梁理论研究了功能梯度材料(FGM)梁在一维热冲击载荷作用下的瞬态动力响应.采用Laplace变换将功能梯度材料中的一维热传导方程转化为拉氏域中的常微分方程进行求解,再进行反变换得到温度场.然后采用微分求积法(DQM)对位移形式的动力学方程及初边值条件进行DQ离散,数值求解离散后的动力学方程,得到了梁在热冲击下的动态位移和应力响应.分析了材料组份指数和几何参数对梁的动力响应的影响,并考察了DQM法对此类问题的有效性.     

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。     

一种求解梁动力响应的新方法

基于动刚度方法与常规有限元方法提出了一种计算梁动力响应的新方法。单元插值形函数是由梁的自由振动方程导出的，称为精确形函数。应用哈密顿原理推出振动控制方程。利用傅立叶展开定理求解梁的动力响应。数值模拟结果与常规有限元方法进行了比较，结果表明了新方法的有效性。     

压电陶瓷支承对梁的横向振动与支反力抑制作用EI北大核心CSCD

当多跨结构受到横向载荷产生振动时,支承与基座衔接处往往产生较大的支反力。针对该问题,以双支承的梁系统为例,基于压电换能原理,采用柱状压电陶瓷支承作为减振元件,并对其减振效果进行了理论分析。利用Hamilton原理推导了压电机电耦合边界条件下该系统的振动微分方程。结合有限元法和偏微分方程数值计算方法,对不同种类压电材料的机电耦合系统进行了模态分析和动力学响应计算。计算结果表明,压电陶瓷支承可以有效抑制多跨结构中支承传递到基座的振动和支反力。     

压电陶瓷支承对梁的横向振动与支反力抑制作用

当多跨结构受到横向载荷产生振动时,支承与基座衔接处往往产生较大的支反力。针对该问题,以双支承的梁系统为例,基于压电换能原理,采用柱状压电陶瓷支承作为减振元件,并对其减振效果进行了理论分析。利用Hamilton原理推导了压电机电耦合边界条件下该系统的振动微分方程。结合有限元法和偏微分方程数值计算方法,对不同种类压电材料的机电耦合系统进行了模态分析和动力学响应计算。计算结果表明,压电陶瓷支承可以有效抑制多跨结构中支承传递到基座的振动和支反力。     

轴向运动功能梯度Timoshenko梁稳定性分析

由Hamilton原理建立轴向运动功能梯度Timoshenko梁运动微分方程组,通过引入新未知函数,将方程组化为该函数的四阶偏微分方程。用WDQ法获得简支FGM Timoshenko梁特征方程及复频率与轴向运动速度变化关系。分析梁随轴向运动速度变化的失稳形式,并与均质材料梁进行比较。分析梯度指标、梁长高比对FGM Timoshenko梁动力稳定性影响。     

热环境中功能梯度圆板的非线性动力响应分析

研究了热环境中功能梯度圆板在横向简谐激励作用下的非线性动力响应和动应力问题。针对陶瓷-金属功能梯度圆板, 考虑几何非线性、材料物理性质参数随温度变化及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况, 应用虚功原理给出了热载荷与横向简谐载荷共同作用下的非线性振动偏微分方程。在固支无滑动的边界条件下, 利用伽辽金法得到了达芬型非线性强迫振动方程。通过数值算例, 给出了关于体积分数指数的分岔图, 相图、Poincare映射等响应图以及动应力变化规律图, 讨论了材料体积分数指数和温度场对功能梯度圆板非线性动力响应的影响。结果表明: 热环境中功能梯度圆板随体积分数指数的变化可使系统出现周期响应、倍周期响应和混沌响应。功能梯度圆板中心处动应力在系统发生分岔或出现混沌响应时出现大幅变化, 而且在混沌响应时具有不可预测性。      

粘弹性支座RC梁在低速冲击下的弹性响应分析

基于Euler-Bernoulli梁理论,分析了具有粘弹性支座的钢筋混凝土梁在低速冲击作用下的弹性动力响应问题。根据准静态Hertz接触理论和梁的横向振动方程,建立了梁在弹性阶段的动力响应方程组,给出了梁动力函数和支座动力函数的计算方法。研究表明:粘弹性支座使梁的位移峰值减小,而且位移到达峰值的时间也有所延后,有利于提高梁结构的抗冲击能力。与刚性支承相比,粘弹性支座的附加惯性力降低了梁动力函数和支座动力函数值,并降低了梁的振动频率;梁动力函数和支座动力函数值随支座阻尼增大而减小,且支座阻尼加速了动力函数值衰减;除了采用粘弹性支座外,缩短冲击荷载的作用时间也可以减小结构的动力响应。     

一种求解简支钢—混结合梁通用挠度表达式的数学解析方法

钢梁与混凝土板之间的相对滑移,会使结合梁的整体刚度降低,在静力和动力计算时,必须要考虑这种滑移带来的影响。通过直接平衡法对结合梁的基本动力理论进行推导,得到集中荷载作用下结合梁的动力响应表达式;经过一系列的数学变换,使通常只能数值求解的响应表达式满足级数求和条件,以相应的Bernoulli函数和Bernoulli数代入,即可得到集中荷载作用下简支结合梁的通用挠度表达式,此表达式不仅能体现不考虑滑移的单一材料梁的挠度结果,也能反映因滑移引起的附加挠度的影响。把理论分析结果与实测结果进行了对比分析,结果吻合良好。研究结果表明:考虑相对滑移后,结合梁的振动方程形式更为复杂,表现出与普通梁不同的动力特性;在进行结合梁的挠度计算时,本质上可把静力分析结果可看作动力响应的一种特殊形式。     

基于能量有限元法的功能梯度梁振动分析

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于其优良的结构性能和重要的应用价值,近些年来得到了广泛的研究和关注。采用能量有限元法对功能梯度梁和耦合梁的弯曲振动特性进行研究,推导了功能梯度材料梁的能量密度控制方程、能量有限元矩阵方程以及耦合梁的能量有限元方程,从而得到梁中的能量密度和能量流。以一简支功能梯度梁为例,分别采用该方法和传统有限元法计算了梁弯曲振动时的能量密度,通过对比验证了能量有限元法求解的准确性。在此基础上进一步对耦合功能梯度梁结构的能量密度和能量流进行了求解,得到其能量分布特征。该研究为基于能量有限元法分析复杂功能梯度材料结构的振动特性提供了理论基础。     

受初应力作用的轴向运动功能梯度梁的动力学分析

基于Euler梁模型研究了初始应力作用下轴向运动功能梯度材料梁的横向振动问题。假设材料性质沿梁的厚度方向按幂指数形式连续变化,利用Hamilton原理建立了系统的控制方程,应用复模态法求得了其固有频率和模态函数,接着分析了轴向运动速度、梯度指数、初应力大小等因素对梁的动力响应的影响。结果表明:梯度指数和轴向速度的增大都会导致固有频率降低,轴向初应力的增大则使得固有频率升高。     

具有分布材料特性的梁反应分析方法

同一梁单元内材料具有不同性质时,传统梁单元的单元位移插值函数不能合理地描述梁内部的位移变化,导致计算精度较低。给出了一种计算同一单元内具有分布材料特性的梁反应的有限元方法,有效解决了传统梁单元的局限性。同时,给出了同一单元内具有分布材料特性的梁单元的一致等效节点荷载和一致质量矩阵的建立方法。与传统梁单元相比,使用该方法进行静力分析和特征值分析均可获得较高的计算精度,并且使用一个单元即可给出精确的单元内力和位移分布。此研究为分析同一单元内具有分布材料特性的梁的静力与动力反应问题提供了简单的方法和有价值的理论基础。     

不同边界条件功能梯度矩形板固有频率解的一般表达式

采用梁函数组合法对功能梯度复合材料矩形板进行动力特性分析,提出了适用于每边任取简支、固定、自由边界之一 (包括36种边界) 、材料功能梯度沿厚度任意分布的矩形板固有频率与振型的解析解一般表达式;在简化情况下,给出了各种边界条件功能梯度矩形板固有频率解的直接显式。所给出的固有频率与振型解的结果可用于功能梯度板的动力分析,工程上应用广泛,简明实用。      

含液饱和多孔二维梁的动力特性分析

基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,分析了含液饱和多孔二维简支梁的动力响应,其中考虑了固体颗粒和流体的可压缩性以及孔隙流体的粘滞性。通过Fourier级数展开和常微分方程组的求解,得到了含液饱和多孔二维梁动力响应问题的解,并将其退化为单相固体二维梁的情形与Bernoulli-Euler梁和Timoshenko梁的自由振动相比较,验证了该文方法的正确性。作为数值算例,分析了含液饱和多孔二维梁的自由振动以及在均布简谐荷载作用下的动力响应特性,分析了表面渗透条件、孔隙流体渗透系数和荷载频率等参数对含液饱和多孔二维梁的自由振动频率、固相位移和孔隙流体压力等物理量的影响。     

空隙、杂质及组分突变对功能梯度构件动力特性的影响

功能梯度材料具有复杂的细部结构, 其内部构造远比匀质材料复杂, 因此其构件动力分析很难求得其解析解。本文中提出了一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法, 其目的在于建立材料的宏观性能与其组分材料性能及细观构造之间的定量关系, 以便揭示不同的材料组合及其变异所具有不同的宏观性能的内在机制。利用细观元法对含有空隙、 杂质及组分突变等情况下的功能梯度构件进行动力分析, 求得其三维固有频率及振型的三维分布。从而可知空隙、 杂质及组分突变均对功能梯度材料构件的宏观动力特性有很大的影响。      

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。