结构在浅水中的振动和声辐射特性研究

建立了浅水域声学边界元方程和相应的有限元／边界元流固耦合振动方程，探讨了水深对结构振动固有频率、振动响应和声辐射的影响。研究结果表明：水深变化对结构固有频率有影响，随着水深减小，结构固有频率降低，特别是当水深与结构浸深接近时，各阶固有频率大大降低，且振型顺序也可能发生变化；水深变化对结构振动响应和声辐射均有影响，其中对声辐射特性的影响较为复杂，即使水深超过结构浸深的10倍，水深变化也会影响到结构的声辐射功率级。     

不确定性热弹耦合梁的固有振动分析

考虑材料参数存在的不确定性,研究热弹耦合梁的固有振动特性。基于欧拉梁的振动微分方程和傅里叶定律热传导方程,得到了梁的热弹耦合振动微分方程;在给定梁的自由振动形式下求解得到梁的固有频率,并分析耦合固有频率随参考温度的变化规律;在考虑材料参数不确定情况下,分析热弹耦合耦合固有频率特性。研究结果表明考虑热弹耦合效应时,梁的各阶固有频率都有所增加;耦合固有频率随着参考温度的升高逐渐增大;考虑材料参数不确定性时,梁的各阶耦合固有频率规律复杂,但具有跟材料参数相同的分布规律。     

计及自由液面影响的水下有限深度圆柱壳自由振动分析

提出了一种求解有限浸没深度下圆柱壳振动特性的解析方法。采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳-液耦合振动方程,通过求解该方程,得到结构各阶固有频率。研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次模态固有频率,而且离自由液面越近,固有频率越大,但是随着浸没深度逐渐增加,自由振动特性很快趋近于无限域。与有限元软件Nastran计算结果对比表明该方法准确、可靠、简便,且具有计算量小、易于参数优化的优点,也为近水面结构流固耦合振动特性分析提供了新的思路。     

多轴齿式离心压缩机转子系统耦合振动特性分析

以某五平行轴齿式离心压缩机为研究对象,建立多平行轴齿轮耦合转子系统有限元模型。采用数值方法,在考虑齿轮耦合与不考虑齿轮耦合两种情况下分别对系统运动方程进行求解,得到系统横向及轴向振动的固有频率和振型,在考虑陀螺力矩的情况下计算系统临界转速值并绘制Campbell图,进而详细分析齿轮啮合作用对多平行轴转子系统动力学特性的影响。研究表明齿轮的耦合作用会使系统派生出新的固有频率及耦合振型,整体系统表现为原有单轴的固有特性与耦合特性两种模式,系统出现新的临界转速值,同时分别指出齿轮耦合作用对系统横向振动和轴向振动的不同影响以及派生频率的来源。     

超磁致伸缩换能器磁力耦合固有特性分析

建立了超磁致伸缩换能器弹性支撑连续体磁力耦合模型,从第一类压磁方程出发,利用简化后得出的轴向压磁方程,建立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合波动方程,在静态磁场下对换能器的磁力耦合固有特性进行了理论分析,初步确立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合固有频率,并与一般连续体纵向振动固有频率进行了分析比较.     

车辆作用下中小跨径裂缝简支梁桥自振特性分析

基于传递矩阵方法的基本思想,形成了车辆作用下裂缝简支梁桥自振特性的分析方法。在确定了简支梁桥及车辆简化模型的基础上,首先明确了表征梁体振动形状的待定系数在裂缝间的传递关系,接着从结构振动的基本原理出发,建立了车轮处梁体待定系数方程和表征车辆振动的待定系数方程。其次采用数值组装方法把车轮处的待定系数方程、车辆振动待定系数方程以及边界条件组合成了一个新型的车辆-裂缝简支梁耦合体系自由振动方程,通过求解该方程便可得到车辆作用下裂缝简支梁桥的自振特性。最后采用多种工况下的数值模拟计算来验证该方法的正确性和有效性。     

轴力和水压作用下深水输液管道湿模态振动特性分析

采用Love-Timoshenko理论和Helmholtz方程建立了轴力和水压作用下原油-管道-海水耦合模型,计算得到了深水输液管道壳振动周向模态的固有频率。通过文献对比,验证了该计算结果的准确性。通过不同工况管道固有频率对比,发现湿模态分析具有不可替代性,原油、海水的存在会降低管道壳振动固有频率,但不会影响管道弹性失稳的临界压力,原油恒定流速的影响可以忽略不计。通过耦合模型参数影响分析,发现边界条件和长径比对高周向模态频率影响较小,而对低周向模态频率影响较大,特别是基频。轴向拉力会小幅降低管道固有频率,进而小幅降低管道弹性失稳临界压力。水压会大幅降低管道固有频率,甚至引发结构失稳。因此,在深水输液管道湿模态周向振动特性分析中轴力和水压作用应加以重视。     

输流管道耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。通过实验和数值分析研究输流管道在流固耦合作用下的振动模态、幅频响应等动力特性的变化规律。根据流体三维波动方程和管道动力学方程之间的耦合关系建立空间输流管道系统的直接流固耦合动力有限元模型,进行管道系统有无流体两种工况下的模态实验。通过和实验结果的对比,验证了输流管道耦合动力学模型的合理性和流体对管道模态的影响,研究了不同频率下流固耦合特性对管道幅频响应的影响及作用机理。发现水介质流体显著降低了管道固有频率,但是在不同频率下流体对管道幅频响应的作用效果并不相同。     

含环向表面裂纹充液圆柱壳的耦合振动特性分析

对含环向表面裂纹有限长充液圆柱壳的耦合振动特性进行了研究。在经典薄壳理论中引入基于断裂力学的线弹簧模型来模拟环向表面裂纹;根据理想流体在柱坐标系下的Helmholtz波动方程,通过添加流体载荷项建立了圆柱壳的耦合振动控制方程,采用波传播法描述耦合系统的振动;经优化迭代法有效地计算对应特定固有频率的轴向波数,在此基础上迭代计算满足特定边界条件和裂纹位置连续性条件的固有频率值。为验证方法的准确性,将计算模型分别退化为真空中完善圆柱壳,真空中裂纹圆柱壳,充液完善圆柱壳,三种情况与文献及有限元方法结果进行对比,验证了方法的准确性;讨论了裂纹深度和裂纹位置参数对圆柱壳固有频率改变的影响。     

含环向表面裂纹充液圆柱壳的耦合振动特性分析EI北大核心CSCD

对含环向表面裂纹有限长充液圆柱壳的耦合振动特性进行了研究。在经典薄壳理论中引入基于断裂力学的线弹簧模型来模拟环向表面裂纹;根据理想流体在柱坐标系下的Helmholtz波动方程,通过添加流体载荷项建立了圆柱壳的耦合振动控制方程,采用波传播法描述耦合系统的振动;经优化迭代法有效地计算对应特定固有频率的轴向波数,在此基础上迭代计算满足特定边界条件和裂纹位置连续性条件的固有频率值。为验证方法的准确性,将计算模型分别退化为真空中完善圆柱壳,真空中裂纹圆柱壳,充液完善圆柱壳,三种情况与文献及有限元方法结果进行对比,验证了方法的准确性;讨论了裂纹深度和裂纹位置参数对圆柱壳固有频率改变的影响。     

微薄膜多场耦合非线性振动分析

将微谐振压力传感器谐振薄膜简化为微薄膜多场耦合系统,给出考虑分子力作用时微薄膜多场耦合动力学方程,利用Linz Ted-Poincaré方法求得其非线性振动固有频率与振型方程,研究了分子力对薄膜非线性固有频率及自由振动的影响规律,利用微加工技术制作出谐振薄膜,利用静电激励-电容检测方法对薄膜非线性固有频率进行了测试。结果表明:当薄膜尺寸较小时,分子力对于微薄膜多场耦合非线性振动的固有频率具有较大影响。研究结果对于压力传感器进一步微型化具有指导意义。     

移动载荷作用下斜拉桥结构的动态响应计算分析

运用斜拉桥的近似分析方法,将漂浮体系的斜拉桥结构简化成两端简支且中间离散弹性支撑梁、变地基系数梁和均匀地基系数地基梁三种模型。建立了移动载荷作用下斜拉桥结构的动力学方程,用四阶龙格库塔法对动力学方程进行了计算,对三种模型的固有频率和三种模型在相同移动载荷作用下的动态响应进行了比较,并对移动载荷移动速度、垂直振动的刚度和阻尼对桥梁动态响应的影响进行分析。结果表明,当拉索等效弹性系数较小时,三种模型的固有频率和挠度曲线差别较小,当拉索等效弹性系数较大时,三种模型的固有频率和挠度曲线差别明显;桥梁动态响应的频谱由桥梁的固有频率和移动载荷的自振频率组成;移动载荷垂直振动的刚度越大,阻尼越小,桥梁振动的响应越大。     

水中弹性体的特征频率与声特性

对弹性壳体的特征频率与声散射、声辐射的谐振特性进行了对比研究。应用最小势能原理建立弹性体的有限元方程,并结合边界积分方程得到水中弹性体特征方程,采用Lanczos方法直接求解特征频率并进行固有振动模态分析。通过几种弹性壳体的特征频率与声特性的对比,验证了激励源频率在特征频率处会产生较强的谐振散射和谐振辐射,谐振对声特性影响的大小则与激励方式有关。具有附加结构的复杂线形长壳体的固有振动模态表明,低阶振动模态主要是主体部分径向和轴向振动,而附加结构对振动影响较小,但会使前几阶的特征频率偏移;高阶固有振动模态的主体和附加部分都产生形变,但主体的轴向振动是主要特征。     

风雨激振中斜拉索倾角对水线及拉索振动的影响

应用基于滑移理论的两自由度风雨激振模型,借助Comsol软件求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数,通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,得到了不同倾角的斜拉索表面的上水线运动规律、拉索气动力变化规律及其振动响应;通过分析三者之间的内在联系探究拉索倾斜角度对风雨激振的影响。结果表明:斜拉索倾角对于起振风速区间的影响不大;拉索横风向及顺风向振幅均随倾角的增大而减小;上水线振荡频率在拉索倾角较小时接近拉索的自振频率,而当倾角较大时远大于拉索的自振频率;上水线在拉索自振频率附近的振荡幅度随拉索倾角的增大而逐渐减弱,导致气动力变化在拉索自振频率附近的能量越来越小,致使拉索振幅不断减小。     

十字弦结构非线性自由振动的频率分析

该文研究了十字交叉弦几何大变形的非线性自由振动问题。首先根据哈密顿原理推导了控制其自由振动的运动方程,然后采用摄动方法求解了该弦的非线性耦合固有频率。通过将求得的非线性耦合固有频率解析解与各单弦的非线性频率解析解进行比较发现,非线性耦合频率的解析解除了具有非线性特性,还反应了各子结构对整体结构频率的影响,即存在耦合特性。并且,当一个子结构自身参数改变时,整体结构的频率也会发生变化,但是变化的幅度小于子结构的变化幅度,即耦合特性增加了十字弦系统的稳定性。     

微尺度输流管道考虑热效应的流固耦合振动分析

研究热环境中输送微流体的微尺度管道流固耦合振动问题。根据线性热弹性理论建立系统振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了温度变化、微尺度效应及管道壁厚对系统振动特性的影响。研究结果表明：提高环境温度会降低系统的固有频率和临界流速;管道和流体的微尺度效应分别会使临界流速升高和降低,但微流体的这种影响会随着温度的升高而逐渐减弱并最终消失;管壁较薄（外径接近微尺度特征尺寸）时,壁厚的变化对固有频率的影响很大,而管壁较厚时,温度变化对固有频率的影响更为明显。     

湿热环境下复合材料薄壁梁振动特性研究

研究湿热环境变化对复合材料薄壁梁自由振动特性的影响。给出了复合材料薄壁梁的位移场和应变场,将湿热应变引入单层材料的本构关系,基于Hamilton原理得到湿热环境下复合材料薄壁梁的多向耦合振动方程。用Galerkin法和假设模态得到薄壁梁的固有频率。讨论了周向均匀刚度(CUS)构型复合材料薄壁梁的耦合振动特点。数值计算分析了湿度、温度变化及铺层角度对梁振动特性的影响。     

人-桥竖向耦合振动计算方法

为了分析轻质人行桥的人-桥竖向耦合振动,建立了基于双脚支撑人体计算模型的人-桥耦合振动方程。根据行人在刚性地面行走时的步伐荷载计算结果与文献给出的步伐荷载时程曲线对比,验证了双脚支撑人体计算模型能较好模拟行人的脚步力特性。以一座跨度22.8m、第一阶竖弯自振频率7.23Hz的铝合金人行桥为例,运用Monte Carlo法模拟人群的步行参数,形成不同密度人群过桥的随机工况,并用直接积分法计算了考虑人群-桥竖向耦合振动的铝合金人行桥动力响应。计算结果表明,当人群密度较大时,考虑人桥耦合的人致振动卓越频率趋于分散,其振动响应明显小于不考虑耦合影响的计算结果。     

水下航行体垂向弯曲振动声辐射特性

垂向弯曲振动是水下航行体总振动的常见模式,控制弯曲振动是水下航行体设计中重要的一环。考虑声-结构耦合,基于FEM/BEM理论建立航行体弯曲振动声辐射分析的基本方程,计算水下航行体垂向弯曲振动固有频率和振动响应,研究弯曲振动引起的辐射声场特性;并以振动评价基准中的速度限制线作为激励,讨论航行体弯曲振动声辐射。结果表明：航行体垂向弯曲振动会产生较大的辐射噪声,1阶和2阶振动对总振动引起的辐射噪声贡献较大;欲降低低频线谱,须降低振动响应幅值;在结构振动控制设计中,不仅要从结构振动烈度的角度控制弯曲振动响应幅值,还应考虑结构声学性能,从控制弯曲振动引起的声辐射角度出发,补充提出设计指标。     

低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统的刚-柔-热耦合动力学建模

传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模方法。考虑太阳帆板热变形、卫星的姿态运动和太阳帆板受到的各种辐射的热流密度之间的耦合关系,分别给出了太阳直接辐射热流、地球红外辐射热流以及地球反照辐射热流的计算公式。将系统视为中心刚体-悬臂梁模型,首先建立了悬臂梁的热传导方程,然后通过引入考虑热应变的应力-应变关系,用虚功原理建立了卫星-太阳帆板多体系统的考虑热效应的动力学方程,对热传导方程和动力学方程联立求解。对低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统进行了数值仿真分析,分析了考虑地球红外辐射和地球反照辐射热流对热振动的影响,以及考虑刚-柔-热耦合效应对系统动力学特性的影响,并给出了系统热振动稳定时特征参数的范围。