基于傅里叶级数展开的多跨耦合板功率流研究

提出了一种基于傅里叶级数展开求解水平多跨耦合板振动响应的解析方法。建立了多跨耦合板模型,使用傅里叶级数对单点激励力和未知耦合弯矩进行了表达,并利用耦合边的角速度连续性条件,实现了耦合边耦合弯矩的求解以及各子板任意点响应的计算。根据功率流理论,得到了激励点输入功率流以及各耦合边传递功率流的计算公式。取三跨耦合板模型作为理论仿真对象,使用ANSYS有限元软件验证了理论模型的正确性。利用获得的理论模型,分析了阻尼和激励点位置对结构输入和传递功率流的影响,结果表明对激励板进行阻尼处理以及在板的中心位置激励,能有效抑制结构功率流的输入和传递。     

梁上附加集中质量对梁-板耦合系统功率流特性的影响

运用导纳功率流法,建立了含集中质量负载的梁与板的耦合振动模型,分析了质量负载对耦合系统功率流传递的影响,并通过ANSYS的优化模块,对梁上附加集中质量的质量大小及在梁上的位置进行了优化设计。研究表明：附加质量对耦合系统的功率流峰值有显著影响,影响的程度与梁板的结构参数有关;合理选择附加质量的质量大小及在梁上的位置,可以提高梁式动力吸振器的吸振效果。     

三维耦合Timoshenko梁功率流主动控制研究

研究了三维耦合梁结构中的功率流传播与主动控制。首先基于Timoshenko梁理论,采用行波方法建立了包含弯曲波、纵波与扭转波的三维耦合梁结构动力学模型,并获得了其精确动力学响应;进一步得到结构中传播的主动功率流,分析了纵波与扭转波对总功率流计算结果的影响;以主动功率流为目标函数,优化得到了最优控制力的大小与相位,然后对结构施加最优控制力,最终实现了三维耦合梁结构的功率流主动控制;进行了数值仿真,结果表明:采用行波方法计算三维耦合梁结构的动力学响应准确可靠;在进行三维耦合梁结构功率流计算时,需考虑纵波和扭转波的影响;包含剪切变形和转动惯量影响的Timoshenko梁模型较Euler-Bernoulli梁模型计算的结果更为精确,且在中、高频段尤为突出;功率流主动控制可以明显降低三维耦合梁结构在频域和空间域中的振动功率流,且最优控制力的微小偏差与误差传感器的位置对控制效果的影响较小。     

采用波动法研究有限板振动功率流

对有限尺寸十字型多板耦合结构建立波动法耦合运动模型,通过弯曲波和面内波波幅系数矩阵的组合与离散,得到板在线连接处的耦合运动方程的一般形式,对比波动法的半解析结果与有限元数值结果,验证自编波动法MATLAB程序的收敛性和准确性。探讨板连接角和激励角等参数对弯曲波功率流和面内波功率流的影响。频率较低阶段,弯曲波功率流明显大于面内波功率流,面内振动功率流可以忽略,随着频率的增加,面内波功率流增大,可能与弯曲波数量级一致。在全频域范围内,激励板的弯曲振动功率流均随激励角度的增大而增大,而接受板面内波功率流是连接处的波形转化和直接激励力的相反作用的结果。板连接角在90°附近时,接受板功率流较大,振动衰减明显。     

振动主动控制系统的统计能量分析

基于能量观点对振动主动控制系统进行了统计能量分析。首次推导出振动主动控制系统的统计能量关系式和耦合振子间耦合损耗因子的表达式,并通过实例研究了控制反馈系数对系统耦合损耗因子的影响,分析了阻尼对系统输入功率、子系统间传递功率流以及各子系统振动能量的影响。     

Timoshenko梁功率流主动控制研究

为了研究扰动影响下梁式结构的动力学响应与主动控制,首先基于Timoshenko梁理论,采用行波方法建立了悬臂梁结构的动力学模型并获得了其在扰动下的精确动力学响应,进一步得到结构中传播的功率流,并以此为目标函数,优化得到了最优控制力的大小与相位,然后对结构施加最优控制力,实现了Timoshenko梁结构的功率流主动控制。对Timoshenko梁结构动力学响应与功率流主动控制方法进行了数值计算,并与Euler-Bernoulli梁理论计算结果进行了对比分析。结果表明：采用行波方法计算梁结构的动力学响应准确可靠;Timoshenko梁模型较Euler-Bernoulli梁模型在中、高频段更为精确,且更接近工程实际;通过数值计算与分析验证了基于行波方法功率流主动控制的正确性与有效性,并且功率流主动控制可以明显降低梁式结构全频域内的抖动。     

轴系运行工况对轴系-基座-壳体耦合振动影响研究

螺旋桨推进轴系与船体艉部耦合振动是制约船体减振降噪的重要因素,研究其成因机制和影响因素对于识别和有效控制船体艉部振动和噪声具有重要意义。故从轴系运行状态着手,基于有限元转子动力学理论,对轴系-基座-壳体耦合振动影响因素如轴系运行工况、校中状态及激振力等进行分析。在直线校中状态下,选定轴系四种运行工况,运用雷诺方程计算各工况下支撑轴承压力分布及八动力特性参数,引入轴承润滑油膜和水膜刚度和阻尼矩阵,将各支撑轴承离散成多点支撑,在此基础上建立轴系-基座-壳体系统有限元模型,计算多激励下系统动力响应,采用有限元功率流分析各工况下支撑轴承传递特性对系统耦合振动的影响。结果表明,不同工况下轴承支撑特性会导致系统耦合振动特性不同,经轴系传递到壳体上的功率流也会产生相应变化,最终将会引起不同的辐射噪声。     

梁板耦合结构振动功率流特性研究

研究梁板耦合结构的振动特性,以导纳理论为基础推导了系统各部分功率流表达式。通过数值仿真研究主要结构参数变化对系统功率流的影响。结果表明：梁、板厚度及梁长度影响功率流幅值的频带分布,而梁、板损耗因子的变化改变净功率流、总功率流和吸收功率流的大小,其中板角是较为理想的耦合位置。通过优化设计,对某工程结构的振动控制取得了一定效果。     

耦合板结构随机能量有限元分析

基于单频激励下导出的板的能量流分析方程,将其应用推广到板受随机激励的情形,提出了宽带随机激励下板的响应能量及功率流的计算公式。对考虑弯曲和纵波场耦合的板结构给出了计算能量有限元耦合矩阵的一般方法。用能量有限元法对受到两个不相关宽带白噪声激励力作用的L型板的能量响应和功率流进行了计算,结果反映了各波场的能量在空间上的分布和它们在各波场内的流动特性,其中弯曲波场的功率流显示出相向功率流发生汇集和改变流向的特点。对该耦合结构的响应用统计能量分析法进行了求解,其结果与能量有限元法计算结果间较好的一致性验证了随机激励下板的能量有限元分析应用的正确性。     

轴-板耦合系统振动主动控制

在推进轴系中,轴系横向振动通过轴承传递至壳体结构并诱导其产生声辐射。为降低壳体声辐射,采用主动作动器抑制轴系横向振动传递。不失一般性,基于哈密顿原理建立轴-板耦合系统动力学模型,对该系统进行功率流分析,识别振动传递主要路径。通过数值仿真,计算该系统的干扰通道和控制通道频响函数,研究该控制方案可行性。采用自适应控制算法,计算主动作动器对板振动抑制效果。仿真结果表明,控制后轴通过轴承向板流入的功率减小,轴-板耦合系统中的功率流方向改变,并且板振动通过主动控制被有效抑制。     

板壳结构振动功率流的子结构线导纳法研究

采用子结构点导纳方法分析铺壳耦合结构振动特性时,需要将衔接线划分为一系列的点进行求解,较为烦琐.针对这一问题,该文提出了改进的子结构线导纳方法.首先建立了铺板和圆柱壳的耦合振动模型;然后采用模态展开法分别求解铺板和圆柱壳的机械线导纳,得到振动传递方程中的线导纳矩阵;最后求解耦合振动方程分析铺板与圆柱壳的振动功率流特性.将结果分别与ANSYS 和AutoSEA 的计算结果进行对比分析表明:该文提出的改进方法能够在宽频带内有效地计算板壳耦合结构的振动功率流特性,且求解过程简单,适于线衔接复杂结构的振动特性分析.     

房屋结构振动控制的功率流方法

文章将多层房屋结构简化为单耦合的带横梁的无限周期柱结构，有效地运用周期结构理论和波传播常数的概念，推导出多层房屋结构振源输入点阻抗的一般表达式，从而使得分析过程得到大大简化。介绍了导纳功率流方法，并运用振动功率流的概念评价基础隔震结构的隔震效率，指出了隔震效率不仅与隔震系统本身的阻抗特性有关，而且还取决于震源特性以及上部房屋结构的点阻抗特性；从功率流的观点出发，必须依据上部房屋结构的频率特性和震源特性来优化隔震器的设计，不仅使由地基震动经过隔震器输入到上部房屋结构的功率流为最小，而且还保证经济适用。     

一类复杂系统的功率流传递特性及其主动控制

综合考虑工程实际中多激励,多支承机组的柔性安装问题,建立了主被动复杂柔性隔振系统的统一动力学模型,将导纳方法推广到主动隔振分析中,采用了子结构导纳综合法对弹性板基础上主动隔振系统的传递功率流进行了分析,并从插入损失的观点探讨了功率流的主动控制策略,揭示了含有主动作动元件的柔性耦合系统的功率流传递机理。     

梁与正交各向异性板弯曲波的传递特性研究

以正交各向异性板与各向同性梁耦合系统弹性波传递特性为研究对象,基于弯曲波传播的动力学分析,推导出子系统间的功率流传递系数(power flow transmission coefficient,PTC)和耦合边界处的耦合损耗因子(coupling loss factor,CLF)表达式。计算分析了内损耗因子、频率和方向角α等参数对传递系数的影响,并通过与有限元结果的对比验证了耦合模型的正确性,最后与各向同性板梁耦合结构进行了比较。模拟结果表明,当弯曲波入射时,方向角α对传递系数有明显影响,当方向角α为90°时传递系数最小。同时梁的内损耗因子对传递系数有明显影响,随着内损耗因子的增大,传递系数也越大。     

Exact solutions for the in-plane vibrations of rectangular Mindlin plates using Helmholtz decomposition

Deriving frequency equations for in-plane vibration of a rectangular plate with different boundary conditions and uniform thickness in the elastic range is the goal of this research. To derive frequency equations, the kinetic and potential energy for in-plane behavior initially are obtained by using the stress–strain–displacement expressions according to the theory of Mindlin plates in Cartesian coordinates by applying the Hamilton’s principle, which leads to five sets of highly coupled differential equations for the equations of motion. Replacement of Helmholtz decomposition for the coupled differential equations creates uncoupled equations of motion. The hypothesis of a harmonic solution for the uncoupled equations lead to wave equations. The general solutions for the wave equations are obtained by using the separation of variables. Finally, the application of boundary conditions yields the frequency equations for the rectangular plate. The natural frequencies are compared and validated by finite element analysis and previously reported results.     

大跨飘浮体系斜拉桥减震控制研究

以一座大跨斜拉桥为实例,建立其有限元模型计算分析了主动控制、半主动控制和被动控制对飘浮体系斜拉桥的减震效果,并分析了地震行波效应对斜拉桥地震反应的影响。结果表明,不同频谱成分的地震动输入显著影响三种控制方法的减震效果;半主动控制对于该斜拉桥整体地震反应的控制效果优于始终提供最大阻尼力的被动控制;行波效应对该斜拉桥无控制和有控制地震反应的影响基本相同,并且行波效应对三种控制方法减震效果的不利影响很小。这为漂浮体系斜拉桥的减震控制提供了理论上的指导。     

Multi-modal wave propagation in smart structures with shunted piezoelectric patches

The propagation of wave modes in elastic structures with shunted piezoelectric patches is dealt with in this work. The wave finite element approach, which is based on the finite element method and periodical structure theory, is firstly developed as a prediction tool for wave propagation characteristics in beam like structures, and subsequently extended to consider shunted piezoelectric elements through the diffusion matrix model (DMM). With these numerical techniques, reflection and transmission coefficients of propagating waves in structures with shunted piezoelectric patches can be calculated. The performance of shunted piezoelectric patches on the control of wave propagation is investigated numerically with the DMM. Forced response of the smart structure can also be calculated, and based on which the time response of the structure can be obtained via an inverse discrete fourier transform approach. These general formulations can be applied to all types of slender structures. All these numerical tools can facilitate design modifications and systematic investigations of geometric and electric parameters of smart structures with shunted piezoelectric elements.