基于能量变分原理的梁-圆柱壳耦合系统振动特性分析EI北大核心CSCD

采用能量变分原理研究了梁-圆柱壳耦合系统振动特性。整个耦合结构可分为梁子结构和壳子结构两个部分。首先,分别采用改进傅里叶级数描述梁结构和圆柱壳结构振动位移,求取两者结构动能与结构势能;随后,利用弹簧模拟边界的方式,将边界对结构的约束转化为对应边界势能;同时,利用空间分布弹簧组来连接梁结构与壳结构,使两者耦合效应表现为对应耦合弹簧势能;激励力则可通过外力功的形式加入到整个系统之中。再利用能量变分原理,即可计算耦合系统固有振动特性或受迫振动响应。通过与有限元软件计算结果对比,验证了该方法的正确性。此外,与传统Rayleigh-Ritz法相比,该方法在面对复杂边界条件时,可构建准确的统一分析模型而不需要重新选择位移容许函数。随后,进一步探讨了模型主要参数对耦合系统振动特性的影响。     

水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构鞭状响应

采用2阶DAA流固解耦技术,对水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构的鞭状响应进行分析研究。经模型试验验证后,对细长体圆柱壳梁模型随不同药包爆炸方位、不同爆距及不同低频振动频率耦合程度变化时的鞭状响应进行计算,揭示圆柱壳梁模型在水下爆炸载荷作用下的总体低频运动特性及鞭状响应规律,为研究细长体圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的鞭状效应总体损伤提供试验基础及理论方法。     

复杂边界条件板壳耦合结构振动分析

板壳类结构在工程领域被广泛应用,使得板壳耦合结构动力学特性成为备受关注的研究话题。针对现有研究方法在复杂耦合结构动力学特性分析方面的局限性,构建复杂边界条件下板壳耦合结构振动分析模型,采用二维改进傅里叶级数对弹性板和圆柱壳结构各位移函数分别进行描述,复杂边界条件通过不同组合的弹性约束来模拟,并依赖四类耦合弹簧充分考虑结构之间弯矩、横向剪力、面内纵向力以及面内剪切力的机械耦合效应,进而基于哈密顿原理和瑞利-里兹方法得到板壳耦合结构系统的特征方程与振动响应。研究结果表明,该方法预测板壳耦合结构模态参数优于文献结果,预测强迫响应结果与测试结果吻合良好,验证了该分析方法的正确性。建立的板壳耦合结构分析模型可适用于各类复杂边界条件,无需重新进行理论推导和计算程序编写,是一种可靠而高效的分析手段,可为开展复杂耦合结构的振动分析与动力学设计提供通用性的分析模型基础。     

复杂边界条件下圆柱壳-环板耦合结构振动特性分析

采用谱几何法(Spectro-Geometric Method,SGM)构建了复杂边界条件/耦合条件下圆柱壳-环板耦合结构动力学特性预报模型,并分别对各自外在边界和二者之间的耦合边界进行建模。耦合边界通过设置具有线性刚度和旋转刚度的三维弹性耦合器模拟结构之间的各类耦合效应。圆柱壳和环板的振动位移容许函数被统一地描述为一种谱形式的改进三角级数。应用哈密尔顿原理从能量的角度推导耦合结构系统的特征方程。将此方法获得的结果与文献解及有限元结果进行对比,验证了分析模型的有效性。     

近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性

基于声固耦合模型,采用波传播方法分析近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性,并考虑了自由液面的影响。通过与有限元仿真结果进行对比分析,验证了该方法的正确性。当圆柱壳接近自由液面时,自由液面的存在致使水下圆柱壳输入功率流和声辐射特性的峰值频率向高频偏移,且响应幅值也略有增大。随着潜深的增大,自由液面对圆柱壳输入功率流特性的影响逐渐减小。当潜深大于5倍半径时,自由液面对耦合系统输入功率流的影响可以忽略,但其对耦合系统声辐射特性的影响不可忽略。     

波传播方法在任意边界杆梁结构振动中的应用

采用波传播方法对任意边界杆梁结构的振动特性进行了研究。并且通过设置边界弹簧系数为零或无穷大可以得到所有的传统边界条件。杆梁位移被表示为包含波数的波传播形式。得到了一个由不同支撑和连接刚度边界的三跨梁结果,并且与文献进行了比较。同时,设计了一个被人为断开成两段刚性耦合的悬臂杆梁模型,及一个直角耦合两端固支杆梁模型。通过与ANSYS模型所得结果的对比验证了方法的正确性。     

考虑液体晃荡的部分充液圆柱壳受迫振动分析

充液圆柱壳结构广泛存在于在工程中,在外部激励作用下,圆柱壳会与流体产生耦合振动,且未充满的液面也会产生晃荡,这种耦合振动响应分析在工程中具有重要意义。提出了一种求解考虑内部液体小幅晃荡的弹性圆柱壳振动响应的半解析法。首先分别在壳体建立结构坐标系、在自由液面建立液体坐标系,各自用来描述结构及内部液体的运动。基于Flügge壳体理论建立了圆柱壳的运动控制方程。将液体视为无黏、不可压缩的理想流体,根据线性水波理论和液体自由表面运动边界条件,得出了内部液体的速度势函数。通过流固耦合界面的连续性条件,结合坐标变换推导得到流固耦合系统的运动控制方程。研究了壳体在径向点力激励下振动响应,并得出了对应的液面晃荡响应。和有限元法对比验证了方法的正确性,然后改变相关参数讨论了考虑内部液体晃荡的弹性圆柱壳振动响应特性。     

输流圆柱壳固有特性分析的有限元传递矩阵法

应用有限元传递矩阵法对输流圆柱壳的固有特性进行分析。采用Sanders薄壳理论和经典势流理论,根据结构的轴对称特性,引入类梁的壳单元,建立内含不可压流体的圆柱壳流固耦合模型。着重研究影响求解精度以及固有特性的因素,并将计算结果与实验值、仿真结果进行对比验证。     

板壳结构振动特性的等效机械导纳法

针对线衔接下耦合结构振动传递难以求解的问题,提出具有普遍意义的等效机械导纳方法。以铺板与圆柱壳线衔接结构模型为研究对象,计算各结构的平均振动响应,并与实验结果进行对比,理论计算与实验测试结果一致性良好。研究表明：提出的等效机械导纳法能够有效地计算板壳耦合结构的振动响应特性,且求解过程简单,适于复杂耦合系统振动分析。     

充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解

研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。     

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.     

冰区环境下圆柱壳声振特性的数值分析

建立了圆柱壳-水-冰的声固耦合系统的数值模型。采用有限元法和边界元法分别建立了圆柱壳结构模型、流体声学模型、冰介质弹性体模型,并进行了振动和水下声辐射计算,将无冰情况下的圆柱壳水下声辐射数值计算结果与模型试验进行对比,验证了数值算法的有效性;在此基础上分析了潜深状态和冰层参数对圆柱壳声振特性的影响规律。结果表明:圆柱壳全浸状态下,冰层对结构的振动影响很小,对声辐射影响较大;圆柱壳与冰层接触时,冰层参数和潜浮状态对振动和声辐射特性影响很大;低频段时声指向性变化不明显,随着频率的增加在高频段时声指向性变得更为复杂;为研究极地冰区环境下的潜艇声振特性提供了一种途径。     

复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究

从理论研究和应用研究两个方面追踪了国内外关于能量有限元的发展现状,并指出能量有限元已趋向于预示越来越复杂的结构动响应;接下来介绍本课题组近年来利用能量有限元方法针对实际复杂结构及复杂载荷环境中的高频动响应问题所做的研究工作,主要包括3个部分:一是在考虑多种传递波功率流耦合的情况下,发展了圆柱壳、截锥壳等复杂结构的高频响应能量有限元方法,从而得到了此类结构的中高频局部动响应特性;二是考虑在脉动载荷、混响室等复杂环境中,利用能量有限元方法并结合能量边界元方法预示了结构的高频振动特性和声振耦合特性;三是开发了能量有限元的计算软件,为其大规模应用奠定了基础。最后指出了能量有限元方法目前存在的问题和进一步研究的方向。     

浸没的圆柱壳在冲击波作用下动响应的Galerkin解法

研究了无粘、无旋和不可压缩流体中两端简支圆柱壳在给定冲击波作用下的动响应。圆柱壳的运动方程中考虑了流体动压力和冲击波压力的共同作用，通过将冲击波压力分布函数表示为Ｆｏｕｒｉｅｒ级数有限项形式，并利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对耦合方程进行数值求解，得到了圆柱壳在冲击波作用下的位移响应特性     

散射对近水面有限长圆柱壳自振特性影响

基于镜像原理,分别建立了计及散射影响与只考虑辐射影响时近水面有限长圆柱壳耦合振动模型,即散射模型和辐射模型。采用Graf定理将虚源声压转换到实源坐标系,再结合能量泛函变分方法,最终推导出壳-液耦合振动的控制方程,求解该方程即可得到结构固有频率。通过对比两类模型自振特性,发现散射模型的同阶次固有频率大于辐射模型,并且随着浸没深度逐渐增大,散射对自振特性的影响逐渐减弱。     

薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的振动特性分析

摘要：为深入研究薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的运动特性,应用Donnell简化壳理论,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的影响,建立了薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的非线性振动方程。基于Galerkin方法将偏微分方程转化为方便求解的常微分方程,利用多尺度法求解了系统主共振的一次近似解,得到了系统稳态响应的转迁集与分岔图,并通过奇异性分析,得到了系统工作稳定性和可靠性的结构参数区域。对薄壁圆柱壳在流体作用下的振动特性进行了数值模拟和实验研究,考察了阻尼系数、脉动频率、液体深度等对系统动力学特性的影响。研究表明,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的非线性振动方程更能体现薄壁圆柱壳在流体脉动激励下完整的动力学特性,同时系统中存在多种分岔行为。     

带有弹簧-质量-圆柱壳耦合结构自由振动分析

采用子结构导纳法研究了简支边界条件下带有多根弹簧-集中质量-圆柱壳耦合结构的自由振动。根据已有结果,通过求解多根弹簧等效刚度的推导思路,采用柔度法得到各子结构矩阵元素的柔度系数,进而求得集中质量带有多根弹簧的圆柱壳耦合结构自振频率及模态理论公式,并与已有文献结果作对比,证明了本文理论推导的正确性。应用本文理论方法进一步求解了集中质量带有三根弹簧圆柱壳耦合结构的自振频率及振型,并与建立的ANSYS有限元模型分析结果作对比,二者结果误差很小,可以忽略,再次验证本文理论的合理性及正确性。     

近水面状态有限长圆柱壳振动特性分析

基于波传播方法和镜像法,建立了近水面状态圆柱壳-声场耦合模型,并采用数值方法求解耦合系统的特征方程,得到了近水面状态圆柱壳的模态频率。理论分析结果与现有实验测量结果及有限元仿真结果的良好吻合验证了本文理论方法的有效性。数值分析表明:自由液面的存在使得水下圆柱壳结构的模态频率较对应模态下理想全浸没状态结构的模态频率明显增大;随着潜深的增加,自由液面对水下圆柱壳模态频率的影响逐渐减小,当潜深大于4倍壳体半径时,自由液面的影响可以忽略。     

多舱段圆柱壳振动特性研究

基于Flügge壳体理论,采用波动法建立任意边界条件多舱段加筋圆柱壳数理模型,对多舱段圆柱壳固有振动特性和频响特性进行研究。相对于传统的采用平摊或梁模型处理环肋方法,运用圆环板模型分析环肋。在环肋、舱壁等加强构件及激励点处对结构离散,环肋、舱壁等子构件采用圆环板模型分析,激励力作为离散处边界条件,运用离散处连续条件将子构件组装得到运动方程。通过与文献、有限元结果对比验证了本文方法的正确性与准确性,在此基础上分析舱壁厚度、舱壁位置及激励点等参数对多舱段圆柱壳振动特性的影响;并进一步讨论了舱段截断时边界条件选取。     

舱段结构流固耦合声振特性的模态叠加法研究

圆柱壳加筋结构是水下航行器的主要组成部分,研究复杂柱壳结构的水下振动与声辐射特性具有十分重要的意义.本文以双层加筋圆柱壳舱段为研究对象,考虑舱段外和双层壳体内流体与结构的耦合作用,利用有限元法得到舱段结构的干模态,再利用直接边界元方法得到舱段结构的湿模态,采用模态叠加法研究舱段的流固耦合振动与声辐射特性.文中还比较了不同筋板结构形式和内外壳体内流体耦合作用前后舱段的声辐射特性,分析内外流场对舱段结构噪声辐射的影响规律.