Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率的轴力影响系数

给出了考虑轴力对于Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率影响系数的高精度表达式。与动力刚度法推导等截面梁自由振动分析的动态刚度阵不同,首先获得承受常轴力的Bernoulli-Euler梁横向自由振动微分方程的通解,并通过位移边界条件消去待定常数,得到精确形函数;使用有限元方法,建立了使用精确形函数表达等截面Bernoulli-Euler梁动态刚度阵的微分格式,该微分格式精确刚度阵与动力刚度法得到的刚度阵完全一致。仿照Timoshenko对压弯梁静态挠度表达中取用轴力影响因子的方法,提出了Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率的轴力影响系数表达式,结合Wittrick-Williams算法和动态刚度阵证明了当轴力在±0.5倍第1阶欧拉临界力之间变化时,轴力影响系数表达式最大误差不超过2%,且随固有频率阶次的提高,误差越来越小。     

复合材料变截面旋转薄壁悬臂梁自由振动分析

基于拉格朗日方程推导出复合材料封闭变截面旋转薄壁梁的自由振动方程。与基于哈密顿原理的动力学建模方法相比,该文所采用的方法更为简洁。此外,在薄壁梁的结构模型中还考虑除横向剪切外的扭转、拉伸和弯曲引起的翘曲,具有考虑翘曲因素多的特点。给出了两种刚度配置下的变矩形截面旋转悬臂直梁的自由振动方程简化形式及其相应的迦辽金法求解的固有频率。基于大型通用有限元软件ANSYS,计算了薄壁变截面旋转悬臂梁的固有频率,并且与迦辽金法的求解结果进行了对比。分析了复合材料的弹性耦合、铺层角度、截面变化和旋转速度对薄壁梁的自由振动的影响。     

基于有限差分法的变截面旋转梁弯曲振动

根据哈密尔顿原理建立旋转梁的弯曲振动方程,运用有限差分方法对旋转梁的动力方程进行离散处理,得到旋转梁的质量和刚度矩阵。借助MATLAB振动工具箱对系统的弯曲振动进行模态分析,得到圆形、矩形和叶片类型三种变截面旋转梁的固有频率,并与相关文献进行比较。在差分离散矩阵的基础上,建立旋转梁的线性定常状态空间方程。运用MATLAB振动工具箱对旋转梁的自治系统和非自治系统进行仿真,分别求得旋转梁的时间位移曲线和相轨迹。最后对非自治系统的旋转梁进行频域分析,得到幅频特性和相频特性曲线。     

旋转几何非线性复合材料薄壁梁的自由振动分析

研究具有几何非线性的旋转复合材料薄壁梁的自由振动。梁的变形引入了Von Kármán几何非线性, 基于Hamilton原理和变分渐进法 (Variational-Asymptotical Method -VMA),导出旋转复合材料薄壁梁的非线性振动偏微分方程组。采用Galerkin法将振动方程离散化为常微分方程组。借助于谐波平衡法 (Harmonic Balance Method -HBM) 建立自由振动的振幅-非线性固有频率关系方程。将上述方程化为非线性特征值问题,采用迭代算法进行求解。将所建立的旋转复合材料薄壁梁非线性自由振动分析模型和计算方法,应用于周向均匀刚度配置(Circumferentially Uniform Stiffness –CUS) 构型复合材料薄壁梁,通过数值计算揭示了纤维铺层角、旋转速度对非线性振动固有频率-振幅关系的影响。     

变截面梁横向振动特性的半解析法

提出一种计算变截面梁横向振动特性的半解析法。基于欧拉-伯努利梁理论给出的弯曲刚度、质量分布沿梁轴线连续或非连续变化的变截面梁横向振动方程;将该变截面梁等效为多段均匀梁,并基于相邻两段连接处的位移(位移、转角)和力(弯矩、剪力)的连续条件,建立了两相邻均匀段之间模态函数的关系;针对简支边界条件给出了计算变截面梁横向振动固有频率的特征方程和模态函数,并用Newton-Raphson方法计算其固有频率。通过与有限元法的数值结果比较说明半解析解的高精度和有效性。     

变截面粱横向振动特性半解析法

提出一种计算变截面梁横向振动特性的半解析法.基于欧拉-伯努利梁理论给出的弯曲刚度、质量分布沿梁轴线连续或非连续变化的变截面梁横向振动方程;将该变截面梁等效为多段均匀梁,并基于相邻两段连接处的位移(位移、转角)和力(弯矩、剪力)的连续条件,建立了两相邻均匀段之间模态函数的关系;针对简支边界条件给出了计算变截面梁横向振动固有频率的特征方程和模态函数,并用Newton-Raphson方法计算其固有频率.通过与有限元法的数值结果比较说明半解析解的高精度和有效性.     

复合材料封闭变截面薄壁梁自由振动分析

摘要：基于拉格朗日方程建立了复合材料封闭变截面薄壁梁的自由振动微分方程,给出了两种刚度配置下的变矩形截面悬臂直梁的自由振动方程简化形式及其相应的迦辽金法求解的固有频率。基于大型通用有限元软件ANSYS,计算了薄壁变截面悬臂梁的固有频率,并且与迦辽金法的求解结果进行了对比。分析了复合材料的弹性耦合,铺层角度和截面变化对薄壁梁的自由振动的影响。     

变截面压电层合梁自由振动分析

考虑压电材料的质量效应和刚度效应,将表面粘贴或埋入式压电悬臂梁看作变截面梁,研究压电材料对智能结构固有特性的影响。基于一阶剪切变形理论导出压电层合梁的抗弯刚度和横向剪切刚度,计及梁的剪切变形和转动惯量,采用Timoshenko理论推导变截面压电层合梁的频率方程。给出了T300/970压电层合梁和硬铝压电层合梁的前3阶固有频率,并和有限元结果、等截面梁的计算结果进行比较。计算表明,压电材料对压电结构固有频率和固有振型的影响显著,在以振动控制为目标的压电结构动力学建模过程中,有必要考虑压电材料的质量和刚度。     

磁场对黏弹性基体上变截面纳米梁振动特性的影响分析EI北大核心CSCD

针对磁场影响下的黏弹性基体上变截面纳米梁进行了动力学建模及振动特性影响分析。基于非局部欧拉梁理论、Kelvin黏弹性地基模型及麦克斯韦关系式,建立了系统的振动控制方程。通过联合传递函数法和摄动法对所建振动控制方程进行求解,得到了任意边界条件下变截面纳米梁的固有频率。在此基础上,系统地分析了非局部参数、磁场强度、松弛时间、锥度系数等对阻尼频率和阻尼比的影响情况。结果表明,所建的动力学模型在研究受磁场影响下的黏弹性基体上变截面纳米梁的振动特性问题准确有效。     

船体结构刚度对桅杆振动特性的影响及控制

采用Euler-Bellouli梁理论推导出桅下船体结构旋转刚度和桅杆首阶固有频率参数之间的关系．用桅下船体结构的旋转刚度ka和桅杆参数EI/l的比值判断桅下船体结构的旋转刚度对首阶固有频率的影响，对一个安装在不同旋转刚度基础上的桅杆实例进行了有限元计算，找出了桅下船体结构旋转刚度的合理设计范围。有限元软件仿真计算结果表明，合理地选择ka值可使桅杆首阶振动频率得到主动控制。     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

负刚度吸振器对有限长弹性梁的抑振效果研究

考虑不同形式负刚度动力吸振器对有限长弹性简支梁动态响应的影响,提出并建立"弹性梁-负刚度动力吸振器"耦合系统动力学模型。基于模态叠加法,推导得到各阶模态对应幅频响应解析表达式。以弹性梁第1阶振动模态作为振动抑制目标,结合固定点理论和最大值最小化优化准则得到各类型动力吸振器的最优设计参数。以功率流作为振动控制效果的评价指标,建立"弹性梁-动力吸振器"耦合系统的导纳功率流理论模型。在此基础上,计算得到安装动力吸振器前后弹性梁的总功率流和净功率流,以及动力吸振器消耗的功率流,研究不同形式动力吸振器的振动抑制效果。最后,选择振动控制效果最显著的动力吸振器作为研究对象,针对部分主要设计参数展开研究。计算结果表明：在目标控制模态频率附近,负刚度动力吸振器对弹性梁动态响应的控制效果较好,且多个振动模态响应均被有效控制;当阻尼元件和负刚度元件同时接地对弹性梁动态响应的控制效果最佳;众多设计参数均存在最优值。     

基于格林函数的多跨钻柱系统的振动特性分析

随着油气勘探开发向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的动力学特性更加复杂,失效问题频发。该文应用格林函数理论对多跨旋转钻柱双向耦合动力学特性进行了定量分析和研究。考虑多稳定器及不同约束条件,以钻柱整体为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型和Hamilton原理建立了具有广义边界约束条件及多稳定器的旋转钻柱双向耦合动力学方程。采用分离变量法、Laplace变换及Laplace逆变换求解所获得的振动微分方程,得到了旋转钻柱系统横向振动的格林函数解以及以格林函数为基础的多跨旋转钻柱系统的闭合形式的模态函数及隐式的频率方程。定量地分析了稳定器位置、弹簧刚度系数与稳定器个数对钻柱系统振动特性的影响。数值结果表明:稳定器位置与固有频率的关系曲线中有相应阶次数目的峰值;随着等效弹簧的刚度系数的增大,系统的固有频率随之增大,但当刚度增加到一定值时,系统的一阶和二阶频率将趋于稳定。研究结果有助于深化对多跨旋转钻柱的动力学特性规律的认识,为提高钻速、减少钻柱失效及钻柱钻井技术的应用提供了新的研究方法和理论依据。     

Meshfree Galerkin method for a rotating Euler-Bernoulli beam

In this article, we solve the free vibration problem of a rotating Euler-Bernoulli beam using the meshfree Galerkin method. Radial basis functions are used for interpolation. An improved formulation of the rotating Euler-Bernoulli beam free vibration problem with the Galerkin method is explained for the first time, which results into a symmetric stiffness matrix and gives a significant computational advantage over the formulation given in the existing literature. A conventional hp-version of Galerkin finite element method is used for comparison. Results are obtained at different non-dimensional rotating speeds of a rotating beam. Results show excellent agreement with the existing literature.     

Dynamic Finite Element Analysis of Extensional-Torsional Coupled Vibration in Nonuniform Composite Beams

The application of a Dynamic Finite Element (DFE) technique to the extensional-torsional free vibration analysis of nonuniform composite beams, in the absence of flexural coupling, is presented. The proposed method is a fusion of the Galerkin weighted residual formulation and the Dynamic Stiffness Matrix (DSM) method, where the basis functions of approximation space are assumed to be the closed form solutions of the differential equations governing uncoupled extensional and torsional vibrations of the beam. The use of resulting dynamic trigonometric interpolation (shape) functions leads to a frequency dependent stiffness matrix, representing both mass and stiffness properties of the beam element. Assembly of the element matrices and the application of the boundary conditions then leads to a frequency dependent nonlinear eigenproblem, which is solved to evaluate the system natural frequencies and modes. Two illustrative examples of uniform and tapered cantilevered, Circumferentially Uniform Stiffness (CUS), hollow, composite beams are presented. The influence of ply fibre-angle on the natural frequencies is also studied. The correctness of the theory and the superiority of the proposed DFE over the contrasting DSM and conventional FEM methods are confirmed by the published results and numerical checks. The discussion of results is followed by some concluding remarks.     

弹性支撑旋转Timoshenko梁动力学特性

为研究弹性支撑旋转梁动力学特性随转速及弹性支撑参数变化规律,考虑剪切效应、转动惯量和陀螺效应,采用Hamilton原理推导旋转Timoshenko梁动力学方程,应用Chebyshev谱方法获得系统涡动频率与模态振型数值解。结果表明,在高速转动状态下陀螺效应、支撑结构刚度对Timoshenko梁动力学特性有显著影响;各阶固有频率随着转速增加而分成正向涡动频率与反向涡动频率,高阶频率变化幅度更大;涡动频率随支撑结构直线刚度增加而呈阶梯状变化,当直线刚度增加到一定值后系统涡动频率将保持稳定;随着支撑结构转动刚度增加,涡动频率出现一个最小值与最大值,前者低于自由边界条件下频率值,后者高于固定边界条件下频率值。相关结果可用于各类旋转梁机构的设计与优化。     

Free transverse vibration of rotating blades in a bladed disk assembly

This paper investigates the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks to examine the relationship of natural frequencies, blade stiffness and nodal diameters to study how neighboring blades react upon each other and affect blade natural frequency. With the use of elastic hinge theory and a cantilever beam model subjected to either a transverse concentrated force or a bending moment at the free end, the force-deflection stiffness/moment-rotation stiffness of the beam have been developed. Thereafter, the reaction forces and moments from the neighboring blades have been determined without the need for an exact solution of large deformation of cantilever beams including geometrical nonlinearity effects. With the use of the energy conservation principle and modal theory, the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks has been determined for any nodal diameter. A comparison of the analytical and finite element solutions for a bladed disk with uniform aerofoils shows that the analytical method presented in this paper is accurate.