求解圆柱壳稳态谐响应的微分求积单元法

本文以Donnell经典壳体振动微分方程为基础,研究微分求积单元法(DQEM)在圆柱壳稳态谐响应计算中的应用。研究结果表明：微分求积单元法可较为方便的处理多种边界条件;与有限元法相比,微分求积单元法直接面向问题的微分方程,可用较少的节点获得较高的计算精度,计算效率较高。本文结果可为微分求积单元法在结构动力响应问题求解中的应用提供参考。     

基于微分求积法的变密度印刷纸带振动特性分析

采用微分求积法分析纸带面密度沿宽度方向线性变化时运动矩形纸带横向振动问题。建立了印刷运动纸带的横向振动模型。研究了变密度运动矩形纸带的无量纲振动频率与无量纲轴向运动速度、密度系数、纸带张力比之间的关系。数值计算结果表明,用微分求积法求解变密度运动矩形纸带横向振动问题是切实可行的。该研究结果为改善印刷纸带在印刷过程中的动态特性提供了理论依据。     

具有随机路径的振动传递路径系统的随机响应分析

基于Kronecker代数、矩阵微分理论、向量值和矩阵值函数的二阶矩技术、矩阵摄动理论和概率统计方法,实用有效地提出了时域内振动传递路径系统的随机响应分析方法。在考虑传递路径参数,包括质量、阻尼、刚度、位置参数不确定性的条件下,对振动传递路径系统的随机响应问题进行了理论分析和数值计算,给出了系统随机振动响应的一阶矩和二阶矩的一般数学表达式,据此可以考虑工程实际中大量的传递系统中固有的不确定性,以便为解决不确定振动传递路径系统的问题提供有效方便的途径。通过算例表明,该法数值分析结果与Monte Carlo随机模拟结果比较,具有理想的精度。     

基于微分求积法及V-变换的大规模动力系统快速数值计算方法

针对大规模动力系统动态响应的数值计算,传统的微分求积法通常在时间域上逐步离散、整体求解,存在“维数灾”问题。在多级高阶时域微分求积法的基础上,提出了基于V-变换的大规模动力系统动态响应的快速数值计算方法。利用微分求积法的加权系数矩阵满足V-变换这一重要特性,将离散后的雅可比矩阵方程进行解耦分块,推导形成了多级分块递推计算方法。数值算例表明,即使采用相当于Newmark方法2s倍的步长,微分求积法的计算精度仍比Newmark方法要高出2~3个数量级。进一步对3个不同规模的算例系统进行了测试,结果表明：相对于传统的数值计算方法,多级分块递推计算方法可以获得较大的加速比,能够显著提高大规模动力系统动态响应的计算效率。     

Timoshenko组合梁动力特性与瞬态响应的求积元分析

为了提高有限元法(FEM)在部分作用组合梁动力特性与瞬态响应分析中的计算效率。通过微分求积法离散组合梁基本未知量及其导数,利用Timoshenko组合梁动力问题的虚功原理建立其自由振动与瞬态分析的微分求积元方程;为了便于对比新建的求积元法(QEM)与FEM的计算效率,同时给出了抛物线插值位移法有限单元方程,在验证所建立的有限元与求积元算法正确性的基础上,对比了FEM与QEM在组合梁自由振动特征值分析与直接积分法地震时程分析中的计算效率。数值结果表明:QEM较FEM在组合梁固有频率分析中提速可达479倍,在地震时程分析中可提速42倍。     

基于n阶GBT热-机载荷作用下FGM梁的振动特性和稳定性分析

研究了热-机载荷耦合作用下弹性地基FGM梁的振动特性与稳定性。考虑到材料的物性依赖于温度变化且组分沿梁厚按幂律分布。首先,基于一种扩展的n阶广义剪切变形梁理论(n-th GBT),应用Hamilton原理,统一建立了系统自由振动及屈曲问题力学模型的控制方程,采用一种改进型广义微分求积法(MGDQ)获得FGM梁静动态响应的数值解。其次,通过算例验证GBT的有效性并给出阶次n的理想取值,在丰富梁理论的同时,也可验证或改进其他各种剪切变形梁理论。最后,讨论并分析了升温、边界条件、初始轴向机械载荷、梯度指标、地基刚度、跨厚比等诸多参数对FGM梁振动特性和稳定性的影响。     

变密度环形薄膜的轴对称振动修正摄动解

采用修正摄动法研究了变密度环形薄膜的轴对称横向固有振动，并求得了确定其横向振动固有频率的特征方程，把该方法所得到的修正摄动解与有关文献所得结果进行比较，可知此修正摄动解不但计算简便，而且精度可与经典的打靶法与微分求积法的精度相当。     

地铁列车运行引起地表振动的预测模型及其试验验证

针对地铁列车运行引起的地表振动响应问题,提出了一个数值预测模型。该模型根据移动荷载作用下的动力响应解,把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下简化的轮轨接触力。利用此模型计算了北京地铁1号线东单站至建国门站区间地铁列车运行引起的振动响应,并利用现场振动试验数据对计算结果进行了验证。结果表明,此模型具有良好的适用性,可应用于地铁列车运行引起的地表振动的预测。     

基于微分求积的结构随机振动时域分析方法

将微分求积法应用于结构动力学方程的逐步时程积分时存在计算效率低的问题.为此,从数值积分角度出发,采用复化微分求积公式计算Duhamel积分项,并将其和精细积分法结合,可形成一种计算任意随机激励下结构随机振动时域分析的显式求解方法.该方法无需对系数矩阵求逆,能够减小在一个积分步长内载荷量线性化所造成的误差,同时也提高数值...     

振动系统随机传递路径响应分析

基于一般概率摄动法,解决了具有随机路径的振动传递路径系统的响应分析问题。应用Kronecker代数、矩阵微分理论、向量值和矩阵值函数的二阶矩技术、矩阵摄动理论和概率统计方法,提出了振动传递路径系统的随机响应分析方法,在考虑工程中的不确定因素以后,在时域内清晰地描述了振动传递路径的随机响应。     

磁场环境下导电圆形薄板的磁弹性强迫振动

研究了电磁场环境下机械载荷作用圆形导电薄板的磁弹性强迫振动问题。首先给出了圆形薄板的磁弹性轴对称振动方程,并依据麦克斯韦方程,得到了相应的电磁场方程和电磁力表达式,在此基础上,对横向恒定磁场中周边固支和周边简支边界约束圆板的振动问题进行了分析。基于位移函数的设定,应用伽辽金法,推得了导电圆板的磁弹性强迫振动微分方程。通过数值计算,得到了两种边界约束条件下圆板磁弹性振动的幅频和相频曲线图,并对结果进行了分析,讨论了磁感应强度和板厚等参数对系统振动特性的影响。     

圆弧曲梁面内自由振动的微分容积解法

用微分容积法求解圆弧曲梁在面内的自由振动问题。通过微分容积法将曲梁自由振动的控制微分方程和边界约束方程离散成为一组线性齐次代数方程组，这是一典型的特征值问题，求解这一特征值问题可以求得其自由振动的圆频率。中采用了考虑轴向变形、剪切变形和转动效应的理论，并采用子空间迭代法求解频率方程。数值算例表明，本方法稳定收敛、精度较高，对圆弧曲梁问题简单、有效。     

饱和地基上含刚核弹性圆板的摇摆振动分析

基于饱和土弹性波动方程,研究了饱和地基上含刚核弹性圆板在摇摆谐和力矩作用下的振动特性。首先应用Hankel积分变换求解该饱和土波动方程,然后按混合边值条件建立起一组描述含刚核弹性圆板振动的对偶积分方程,并将其化为第二类Fredholm积分方程进行数值求解。此外,给出了含刚核弹性圆板在饱和地基上振动的阻抗函数随无量纲频率的变化曲线,并考察了土的渗透系数、弹性板含刚域的大小以及板的柔度等参数对阻抗函数的影响,得出了一些有意义的结论。     

复合载荷作用下波纹扁壳的非线性振动

应用轴对称旋转扁壳的非线性大挠度动力学方程，研究了波纹扁壳在复合载荷作用下的非线性受迫振动问题。采用格林函数方法，将扁壳的非线性偏微分方程组化为非线性积分微分方程组。再使用展开法求出格林函数，即将格林函数展开为特征函数的级数形式，积分微分方程就成为具有退化核的形式，从而容易得到关于时间的非线性常微分方程组。针对单模态振形，得到了谐和激励作用下的幅频响应。作为算例，研究了正弦波纹扁球壳的非线性受迫振动现象。得到的解答可供波纹壳的设计参考。     

Three-dimensional piezoelasticity solution for dynamics of cross-ply cylindrical shells integrated with piezoelectric fiber reinforced composite actuators and sensors

A benchmark three-dimensional (3D) exact piezoelasticity solution is presented for free vibration and steady state forced response of simply supported smart cross-ply circular cylindrical shells of revolutions and panels integrated with surface-bonded or embedded monolithic piezoelectric or piezoelectric fiber reinforced composite (PFRC) layers. The effective properties of PFRC laminas for the 3D case are obtained based on a fully coupled iso-field model. The governing partial differential equations are reduced to ordinary differential equations in the thickness coordinate by expanding all entities for each layer in double Fourier series in span coordinates, which identically satisfy the boundary conditions at the simply-supported ends. These equations with variable coefficients are solved using the modified Frobenius method, wherein the solution is constructed as a product of an exponential function and a power series. The unknown constants of the general solution are finally obtained by employing the transfer matrix method across the layers. Results for natural frequencies and the forced response are presented for single layer piezoelectric and multilayered hybrid composite and sandwich shells of revolution and shell panels integrated with monolithic piezoelectric and PFRC actuator/sensor layers. The present benchmark solution would help assess 2D shell theories for dynamic response of hybrid cylindrical shells.     

粘弹性分数阶导数模型的有限元法

本文给出了粘弹性分数阶导数模型的有限元格式,并用模态分析的方法进行了运动方程解耦。用Laplace变换及其反变换,解析地计算了解耦后单自由度系统的时域和频域响应。时域响应被分为极点部分和截断部分,它们分别代表短期内的衰减振动和长时间内的缓慢恢复效应。以一维杆件为例,对有限元算法和解析解做了对比,分析了响应精度与单元个数的关系。结果表明用有限元法计算的位移接近解析解,而要得到准确的高频加速度响应,则需要划分许多单元格。     

平面应变轴对称压电圆柱壳的随机响应

提出求解随机激励轴对称压电圆柱壳响应的一种方法，并导出相应的解析表达式。首先给出压电圆柱壳在边界随机激励下的基本方程；然后通过位移与电势的变换，将随机激励变换到运动方程中；再利用Legendre多项式展开位移，应用Galerkin法化偏微分的运动方程为常微分方程组；最后根据随机振动理论，得到压电圆柱壳位移与加速度响应的均方值，由此可计算随机响应、分析有关因素的影响与机电耦合关系等。分析说明了存在的机电耦合项，及由此产生广义刚度的非对称性。     

形状记忆合金纤维正交各向异性层合矩形板的非线性弯曲振动

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率, 建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程, 基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论, 建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有三次非线性项的Duffing型常微分方程, 采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明: 非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征, 马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著, 同时也讨论了SMA纤维含量、 板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。      

圆板轴对称自由振动的微分容积解法

本文用一种新型的数值方法——微分容积法求解任意边界条件下圆形中厚板的轴对称自由振动问题。通过微分容积法将中厚板轴对称自由振动的控制微分方程和边界条件离散成为一组关于各配点位移的齐次的线性代数方程，这是一典型的特征值问题，求解该特征值问题便可求得板的自振频率和振型。文中用一些数值算例研究了该方法的收敛性和数值精度，展示了该方法的可行性和有效性。     

磁致伸缩层合悬臂梁式作动器的振动分析

为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题,应用磁致伸缩材料的非线性本构关系,由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好,从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性,并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应,且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。