多跨梁离散系统的频谱和模态的定性性质

采用差分法建立了两端任意支承多跨梁的差分离散模型,对只具有两端支承的单跨梁是正系统的情形,导出了对应的多跨梁差分离散系统的柔度系数;从单跨梁正系统的刚度矩阵的符号振荡性出发,通过引入辅助系统,讨论了多跨梁的柔度矩阵的振荡性,确定了对应于单跨梁正系统的多跨梁差分离散系统的频谱和模态的一系列定性性质.      

振型归一化对梁结构柔度曲率损伤指标的影响

结构柔度矩阵需由质量矩阵归一化振型获得,而质量矩阵归一化振型难以直接测得,限制了柔度曲率类损伤指标的应用。为分析振型归一化方法对梁结构柔度曲率类损伤指标的影响,根据梁结构的刚度、弯矩和位移曲率的关系,建立了均布荷载作用下结构损伤前后位移曲率与损伤程度的理论表达式,实现定量分析均匀荷载面曲率结构损伤程度。提出P-范数振型归一化方法,通过均匀荷载面曲率指标推导了振型质量矩阵归一化系数差x_α与损伤程度的关系。以三跨连续梁算例对理论进行了验证,结果表明,损伤程度定量指标效果良好,不同P-范数振型归一化方法下,损伤程度的偏差可由2x_α估算;2-范数振型归一化方法的损伤识别结果与质量矩阵振型归一化结果最接近,故当无法获得质量矩阵归一化振型时,可采用2-范数归一化振型代替。     

杆、梁离散和连续系统的振动定性性质的统一论证

采用极限过渡法，从杆、梁差分离散系统刚度矩阵的符号振荡性导出相应系统格林函数的振荡性，从而统一论证了离散与连续系统的固有频率和模态的定性性质     

存在刚体模态的杆、梁离散系统某些振荡性质的补充证明

工程实际中大量存在具有刚体运动形态的杆和Euler梁.针对存在刚体运动形态的杆和Euler梁的具有n个自由度的离散系统,借助共轭系统的概念,从共轭系统所具有的振荡性质出发,证明了它们都具有如下定性性质:对任意的2≤p≤q≤n,由系统的第p阶至第q阶位移振型线性组合而成的矢量u=cpu(p)+cp+1u(p+1)+…+cqu(q),其分量序列的最小变号数不少于p-1,而其分量序列的最大变号数不多于q-1.这一结果对于相关理论的完整性是必须的,同时有着重要的工程意义和应用价值.     

样条有限条塑性铰法分析板梁的极限荷载

用样条有限条塑性铰法分析了板梁的极限荷载。首先对条单元以样条位移函数表达的总势能进行求导而推导了位移-荷载关系式。然后用塑性铰法推导了单元的塑性刚度矩阵。因此该方法兼具二者优点:样条有限条法的位移量少和塑性铰法形成塑性刚度矩阵的便利。它还可以考虑梁的初始缺陷,如残余应力和初弯曲。通过与相关的试验数据比较,证明该方法有效与可靠。     

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

关于位移法计算有侧移斜梁的研究

针对用位移法计算有侧移斜梁时遇到的几个问题进行了研究，利用运动学原理对斜 梁位移进行分析，采用力法对几种常见载荷作用下的斜梁进行理论推导，得到了几 个重要结论: 一是斜梁的侧移计算公式，二是一端固定、一端定向支承(支杆与斜梁斜交时)的有侧移单 跨斜梁的转角位移方程、固端弯矩分别与两端固定支承的水平梁的相同，所以计算此类斜梁 时可以按两端固定支承的单跨水平梁处理.     

水平弹性支撑圆拱的动力特性研究

用柔度法建立了水平弹性支撑拱结构的自由振动方程,考虑了拱脚处集中质量的附加惯性力. 计算分析了水平弹性支撑对两铰圆拱固有特性的影响,水平弹性支撑会使拱结构的自振频率减小,当拱结构的矢跨比为0.1 左右时影响最为显著,同时还会改变拱结构的振动形态,尤其在高阶振型中将完全按照梁的特点振动.分析了圆弧梁与两铰圆拱的振动内力特点,提出了柔度系数的概念,经过计算得到了水平弹性支撑拱转化为两铰圆拱和圆弧梁的临界柔度系数以及对应的临界刚度系数.     

均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性过程改进分析

对均布荷载作用下一次超静定梁的弹塑性加载和变形全过程进行了改进分析.根据受力变形特点,均布荷载作用下一次超静定梁的加载过程可分为4个阶段,分别是弹性阶段、固支端附近塑性变形区扩展阶段、固支端保持为塑性铰而固支端附近塑性变形区卸载阶段、固支端保持为塑性铰而梁中部塑性变形区产生并扩展直至中部某点形成塑性铰阶段.在弹性阶段,位移与外荷载是线性比例关系,在第2、第4两个阶段,位移与外荷载是复杂的非线性关系,而在第3阶段,位移与外荷载是线性关系但不是比例关系.针对现有研究中位移计算存在的错误,给出了产生塑性铰后的第3、4两个阶段全过程任意点的位移计算公式,给出了跨中位置点各阶段荷载终值对应的位移.给出的位移公式具有一定的结构设计应用价值.     

可带铰空间梁单元几何非线性分析的随转坐标法

为了降低可带铰空间梁单元切线刚度矩阵的运算量、提高非线性计算精度,本文首先通过建立单元随转坐标系得到扣除刚体位移后结构变形与总位移之间的关系,进而基于场一致性原则导出空间梁单元的几何非线性单元切线刚度矩阵,并在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征得到考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。该方法利用随转坐标系下除单元轴向相对位移外的其余五个线位移均为零的特点,降低了计算单元切线刚度矩阵所需的相关矩阵阶次,因此减少了运算量。对对角点受拉铰接的方棱形框架进行计算,得出本文结果与解析解的最大误差为0.226%;对45°弯梁和带铰平面结构的空间受力进行计算,得出前者与已有文献提供的解非常接近,误差为0.027%～2.394%,后者与 ANSYS 计算结果的最大误差为1.082%,表明本文算法具有良好的精度。     

由两组模态及相应频率构造Enler梁

本文以悬臂梁和两端铰支梁为例,讨论了由部分频率及相应的位移模态或应变模态确定Euler梁的截面物理参数这类问题,建立了解存在唯一的充要条件,提出了一种算法并做了算例,分析和计算都表明,求解这一问题用应变模态比用位移模态有利得多。     

Suppression of multiple modal resonances of a cantilever beam by an impact damper

Impact dampers are usually used to suppress single mode resonance. The goal of this paper is to clarify the difference when the impact damper suppresses the resonances of different modes. A cantilever beam equipped with the impact damper is modeled. The elastic contact of the ball and the cantilever beam is described by using the Hertz contact model. The viscous damper between the ball and the cantilever beam is modeled to consume the vibrational energy of the cantilever beam. A piecewise ordinary differential-partial differential equation of the cantilever beam is established, including equations with and without the impact damper. The vibration responses of the cantilever beam with and without the impact damper are numerically calculated. The effects of the impact absorber parameters on the vibration reduction are examined. The results show that multiple resonance peaks of the cantilever beam can be effectively suppressed by the impact damper. Specifically, all resonance amplitudes can be reduced by a larger weight ball. Moreover, the impacting gap is very effective in suppressing the vibration of the cantilever beam. More importantly, there is an optimal impacting gap for each resonance mode of the cantilever beam, but the optimal gap for each mode is different.     

On nonconservativeness of Eringen’s nonlocal elasticity in beam mechanics: correction from a discrete-based approach

In this paper, the self-adjointness of Eringen’s nonlocal elasticity is investigated based on simple one-dimensional beam models. It is shown that Eringen’s model may be nonself-adjoint and that it can result in an unexpected stiffening effect for a cantilever’s fundamental vibration frequency with respect to increasing Eringen’s small length scale coefficient. This is clearly inconsistent with the softening results of all other boundary conditions as well as the higher vibration modes of a cantilever beam. By using a (discrete) microstructured beam model, we demonstrate that the vibration frequencies obtained decrease with respect to an increase in the small length scale parameter. Furthermore, the microstructured beam model is consistently approximated by Eringen’s nonlocal model for an equivalent set of beam equations in conjunction with variationally based boundary conditions (conservative elastic model). An equivalence principle is shown between the Hamiltonian of the microstructured system and the one of the nonlocal continuous beam system. We then offer a remedy for the special case of the cantilever beam by tweaking the boundary condition for the bending moment of a free end based on the microstructured model.     

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

Mechanical Fatigue Measurement via a Vibrating Cantilever Beam for Self-Supported Thin Solid Films

In this paper, we develop a novel experimental apparatus, referred to as the resonant frequency device, and establish methodology to measure the fatigue properties of thin solid films. Arranging thin-film strips of our specimens into the mechanical setting of a cantilever beam and using state-of-the-art piezo actuators to generate oscillation at the clamp of the cantilever, we create a system suitable for studying the material properties of the cantilever, such as Young's modulus, fatigue and possibly, loss tangent. Deformation of the cantilever is our controlled variable in the present study, and measured with fiber-optic probes pointed at the specimen and at the piezo driver. Stress is calculated from relative deformation of the cantilever specimen with respect to the piezo actuator via a photograph of the cantilever under vibration with a curve fitting method. A LabView computer program is developed for the fatigue tests to accurately count number of cycles applied on the specimens, and a feedback mechanism is adopted to maintain displacement during the tests. Here, we present our experimental setup, procedure and theoretical models for material-property extraction. For small displacement, the two-dimensional Euler–Bernoulli beam theory is adopted. With large displacement, the system behaves as the Duffing oscillator due to geometrical nonlinearity. In addition, some experimental observations of the piezo actuators and fiber optics are reported. The method is applied to evaluate the fatigue properties of nanolayered copper-niobium composites and significant increase in the fatigue endurance limit compared to the constituent materials in the bulk form is noted.     

不可压饱和多孔弹性梁、杆动力响应的数学模型

基于多孔介质理论,首先建立了饱和多孔弹性杆件弯曲与轴向变形时动力响应的数学模型.其次,基于多孔弹性梁弯曲变形的数学模型,利用Laplace变换,分析了两端可渗透的饱和多孔弹性悬臂梁在自由端受阶梯载荷作用下的动静力响应,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等物理量随时间的响应曲线.发现不可压多孔弹性梁的拟静态响应亦存在Mandel-Cryer现象,多孔弹性梁的挠度具有与粘弹性梁挠度类似的蠕变特征,然而,其应力响应不同于粘弹性梁,随着时间的增加,梁拟静态响应的弯矩逐渐增加,并达到一个稳态值.这些结果有助于揭示植物根茎等力学行为的机理.     

由两组模态及相应频率构造Enler梁

本文以悬臂梁和两端铰支梁为例,讨论了由部分频率及相应的位移模态或应变模态确定Euler梁的截面物理参数这类问题,建立了解存在唯一的充要条件,提出了一种算法并做了算例,分析和计算都表明,求解这一问题用应变模态比用位移模态有利得多。     

压电激励圆形曲梁的静态响应及位移控制

研究压电激励圆形曲梁的静态位移响应及位移控制的参数特性。将压电夹层圆形曲梁等效为单层结构,基于一维小曲率曲梁理论,建立其控制方程。在集中弯矩和径向集中力以及电载荷作用下,分析了带压电激励器的圆形悬臂曲梁的静态响应。与有限元结果比较表明:本文的理论模型能够模拟压电激励的小曲率圆形曲梁的静态响应。压电夹层圆形曲梁在任意位置的径向集中力载荷作用下,控制其自由端径向位移响应为零,求得控制电压的解析表达,数值分析表明:随着集中力载荷的位置变化和梁长的变化,最优控制电压将出现峰值和反号。     

旋转悬臂梁的刚柔耦合动力学建模与频率分析

对固结于转动刚体上外接柔性梁的刚柔耦合动力学建模和频率特性进行了研究,在精确描述柔性梁非线性变形的基础上,利用Hamilton变分原理和假设模态法,在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形二阶耦合量的条件下,推导出考虑"动力刚化"项的一次近似耦合模型。首先忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量,对简化模型做无量纲化处理,分析梁固有频率对模态截断数的依赖性;其次研究在一次近似简化模型和零次近似简化模型下,调谐角速度与共振现象的关系;最后分析一次近似耦合模型的动力特性。研究发现,为保证计算的精度,模态截断数应随无量纲角速度的增大而增加,合理的模态截断数具有收敛值;一次近似简化模型下悬臂梁横向弯曲振动不存在共振调谐角速度,一次耦合模型下柔性梁并没有出现屈曲失稳现象。现有典型文献的相关结论是值得商榷的。