轴向运动复合材料圆柱壳的非线性振动研究

采用Runge–Kutta法和多尺度法对轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的非线性振动特性进行了研究。首先根据层合壳理论建立轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的波动方程,利用Galerkin法对方程进行离散,得到相互耦合模态方程组。然后应用Runge –Kutta法分析了不同参数条件下的幅频特性曲线,得到了系统由于固有频率接近所导致的内共振现象,以及系统呈现软特性等非线性特性。最后采用多尺度法进行了系统1:1内共振时的近似解析分析,对系统在不同参数下的振动研究表明,激振力幅值、阻尼、速度等参数对位移响应幅值、共振区间、模态间的耦合度及系统软特性程度均有影响,其结论与数值计算结果一致,并同时对解的稳定性进行了研究。     

含集中质量矩形薄板的动力学建模与质量调幅分析

基于经典薄板理论和von Kármán非线性理论,采用Hamilton原理,首先建立了含集中质量矩形薄板的动力学方程,并结合Galerkin法进行模态截断,获得双模态非线性动力学控制方程组;随后,运用多尺度法,引入频率失调参数,重点研究了主共振与1∶3内共振联合作用下系统的非线性动力学特性,获得了幅-频特性表达形式。根据振动同步性以及幅-频曲线的极值特性,在分析参数范围内,发现当集中质量为0.06kg时,第一阶幅频曲线非线性现象衰减,且第二阶幅频曲线取到最小值。最后实例以集中质量作为调谐参数,分析了质量变化对振幅的影响,计算结果表明,质量在某一范围内对主共振与1∶3内共振联合下的第一阶模态振幅影响较小,但对第二阶模态振幅有较强的调制作用。     

旋转压电纳米梁的振动分析

本文基于非局部弹性理论，对旋转压电纳米梁模型的振动进行了分析．首先由哈密顿原理导出旋转压电纳米梁的动力学控制方程及相应的边界条件；再通过微分求积法对控制方程和两类边界条件进行离散；最后通过数值计算分析振动特性．通过改变旋转角速度、轮毂半径、非局部参数以及外部电压分析它们对压电纳米梁振动频率的影响关系．数值结果表明这些参数对压电纳米梁固有频率有不可忽略的影响，本文进一步讨论了旋转角速度对结构模态的影响．     

基于旋转软化的柔性梁动力学研究

建立了旋转柔性梁的非线性动力学模型,利用能量法及哈密顿原理导出了耦合的动力学方程,分析了转动惯性、Coriolis力、应力刚化、旋转软化、加速度、横向位移、弯曲刚度等作用效应;通过设置应力刚化及旋转软化等刚度矩阵和编制有限元程序,建立了梁单元有限元模型,对柔性梁在旋转软化状态下的振动模态进行了数值模拟与分析。计算表明:梁的旋转软化导致其沿旋转平面的弯振模态(摆振)频率随转速增大而相对下降,且对第一阶摆振频率的影响最显著,呈现非线性;梁的旋转软化对垂直于旋转平面的弯振频率几乎没有影响,此结果表明了旋转柔性梁动态特性的复杂性,因此在计算旋转柔性梁的振动特性时,必须同时设置平动、转动惯性质量矩阵,才能获得准确结果。此外,梁单元模型与实体单元模型计算结果误差小于等于5%,验证了本文梁单元模型求解方法的准确性。     

基于平均法的旋转薄壁圆柱壳非线性行波振动研究

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼和几何非线性的情况下,基于平均法对旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的非线性行波振动进行了研究.在分析过程中,首先,引入考虑阻尼及几何非线性的薄壁圆柱壳非线性波动方程,进行降阶处理后,得到模态坐标下的振动方程;其次,对模态方程进行平均化处理,确定转换矩阵,进行变量的幅值相角化,从而得到自治的标准化方程组;最后,由系统谐波共振周期解对应平均方程稳态解的原理,得到幅频特性方程.根据上述所得结果,进行了系统参数振动及稳定性研究,并进一步将结果与谐波平衡法及数值解作了比较.     

DYNAMICAL EXPLANATION ON TOROFLUX'S PHENOMENA

本文分析了流动环特殊现象的力学原理。流动环是由细长钢带缠绕形成的环状螺旋玩具,具有瞬间几何形态突变和绕圆柱物体运动时迅速旋转两种独特现象。文中利用封闭曲杆的拓扑学规律确定其曲率和扭率,用于计算和比较流动环两种平衡状态的弹性变形势能。证实流动环的形态突变源于最小弹性势能原理。以组成流动环的单个圆环为分析对象,且考虑邻近圆环的牵拉效应。分析了流动环下落时相对圆柱体的滚动过程,以解释旋转现象的产生原因。导出了流动环下落旋转的角加速度公式。理论计算结果与实验数据较好吻合。     

流动环现象的动力学分析

本文分析了流动环特殊现象的力学原理。流动环是由细长钢带缠绕形成的环状螺旋玩具,具有瞬间几何形态突变和绕圆柱物体运动时迅速旋转两种独特现象。文中利用封闭曲杆的拓扑学规律确定其曲率和扭率,用于计算和比较流动环两种平衡状态的弹性变形势能。证实流动环的形态突变源于最小弹性势能原理。以组成流动环的单个圆环为分析对象,且考虑邻近圆环的牵拉效应。分析了流动环下落时相对圆柱体的滚动过程,以解释旋转现象的产生原因。导出了流动环下落旋转的角加速度公式。理论计算结果与实验数据较好吻合。     

射线寻迹法分析旋转不等截面圆环结构的动态响应

用射线寻迹法分析了旋转不等截面圆环的自由响应和受迫响应问题。首先,建立了单元局域坐标系,用行波、快衰和近场波动表示波在单元结构内的振动位移;其次,将激励力视为一种特殊的不连续节点,激励点两端为两个不同单元,考虑不同单元之间通过转递系数和转换矩阵耦合,并引入反射矩阵和透射矩阵处理行波在单元间的传播;再次,将结构的稳态响应表达为波动所有迹的叠加,而将自由振动表达为波幅矢量初始迹为零的情况;最后,根据波传递规则将弹性波动的反射矩阵和透射矩阵进行集成,对独立波动单元进行总装,从所得的动力学模型得到旋转不等截面圆环的响应。在给出了行波在该动态模型中传播特性的基础上,由数值算例可以发现旋转状态下圆环的各阶响应频率都高于静止状态下的响应频率。研究内容有助于高速轴承保持架、MEMS转子等的动态特性的精确计算。     

非均匀随从力作用下热弹耦合圆环板的动力特性分析

基于弹性小挠度薄板理论和考虑变形的热传导方程,采用达朗贝尔原理建立了非均匀切向随从力作用下的轴对称圆环板热弹耦合运动方程。采用微分求积法推导了特征方程,得到内边简支(固支)外边自由边界条件下前三阶量纲为一复频率的实部和虚部随随从力的变化曲线;分析了随从力变化系数、热弹耦合系数、内外半径比对圆环板横向振动复频率和稳定性的影响。数值计算结果表明:在其它参数一定的情况下,圆环板发生第1阶和第2阶耦合颤振失稳;相应的颤振失稳临界载荷随着热弹耦合系数和内外半径比的增大而增大,但随着随从力变化系数的增大而减小。     

旋转运动导电圆板的磁弹性参数振动分析

针对磁场中旋转运动圆板,在动能、应变能表达式基础上,根据哈密顿原理导出圆板的磁弹性振动方程．应用伽辽金积分法,得到横向磁场中旋转变速运动圆板的轴对称参数振动微分方程．通过坐标变换得到包含两个变系数项的马蒂厄振动方程．应用弗洛凯理论和平均法对系统的参数振动问题进行求解．通过数值计算得到周期稳定图、对应的振动响应特性图和相轨迹图．结果表明：在稳定区域内,系统的幅频曲线呈现为周期或概周期变化形式;在不稳定区内,系统的幅频响应曲线呈现为发散变化形式．     

旋转圆环动态特性的行波解

基于固体弹性介质中的行波理论,对旋转圆环的固有频率进行了计算.以扩张弯曲梁微元体的运动方程为基础,分析了运动条件下该波导中行波的色散关系.通过分离正行波数和负行波数,解决了行波法计算旋转圆环的固有频率问题.同时给出了波数分离的判断依据,并结合简谐波动的相位封闭原理和传递矩阵建立了旋转圆环的特征方程.数值模拟研究了旋转体...     

无网格法在点弹性支承矩形薄板横向振动中的应用

基于薄板理论和弹性动力学Hamilton原理的推广,采用无网格伽辽金法,建立了具有有限多个点弹性支承的弹性矩形薄板横向振动的无量纲量运动微分方程,给出了其特征方程。通过求解特征方程,得出了四边简支板的无量纲固有频率随点弹性支承的刚性系数和支承位置的变化曲线,分析了点弹性支承的刚性系数和支承位置对矩形薄板横向振动特性的影响。数值计算结果表明,无网格法求解点弹性支承板横向振动问题是切实可行的。     

平面薄壁回旋曲线梁变形分析

薄壁缓和曲线梁在桥梁工程中存在广泛应用,其力学特性复杂,变形分析困难.基于Vlasov薄壁梁理论,假定曲梁截面形心和剪心重合,并忽略剪切变形的影响,建立了回旋线型等截面薄壁缓和曲线梁的变形微分方程,并与已有模型进行对比分析.该模型平面内变形与平面外变形是不耦联的,可以独立求解.采用微分求积法求解该模型,给出一两端固定的回旋曲线梁在自重作用下的变形算例,进行平面外的变形和内力反应分析,并给出了相应的结论.     

弹性约束边界圆环板面内自由振动的二维弹性解

基于二维线弹性理论,应用哈密顿原理导出弹性约束边界圆环板面内自由振动的控制微分方程。采用微分求积法(DQM)数值研究了弹性约束边界圆环板面内自由振动的频率特性。通过设置弹性刚度系数为0或∞,问题退化为四种典型边界圆环板的面内自由振动,与已有文献的计算数值结果进行比较,证实本文的分析求解方法行之有效。最后全面考虑了圆环板边界条件、几何系数及刚度系数对自振频率的影响。     

磁耦合悬臂梁双稳动力学分析与实验

研究了一个自由端附加小磁铁的悬臂梁在磁力作用下的双稳态动力学行为．首先,利用Hamilton原理和Euler-Bernoulli梁的基本方程建立了系统在非零平衡点处做微幅振动的动力学方程．其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频方程和位移解,并对解进行了稳定性分析．最后,通过建立实验装置,得到悬臂梁不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频关系,通过观察系统在非零平衡点处振动的理论预测,实验结果验证了非零平衡点处振动的理论分析的正确性．对照理论、实验和数值结果得到：在不同的外激励幅值和频率作用下,悬臂梁有三种不同的运动形式：在非零平衡点处的微幅振动;大范围往返运动;在两个非零平衡点之间的无规律运动．     

旋转薄圆盘的行波动力学特性分析

旋转圆盘是广泛应用于旋转机械装置中的基本结构元件,圆盘在高速旋转状态下会表现出与低速或非旋转状态下迥异的力学性能.本文对高速旋转薄圆盘横向振动的行波动力学特性进行了分析,建立了考虑离心力引起的薄膜内力影响下的动力学控制方程以及相应的边界条件.采用伽辽金法数值模拟了旋转圆盘前、后行波振动频率和动力屈曲失稳临界转速随着圆盘几何参数如半径比、厚度的变化规律,以及材料参数对于振动频率和临界转速的影响等.本文的数值计算可以同时给出圆盘旋转的前、后行波频率,并且结果与实验结果吻合良好.     

旋转SMA纤维混杂复合材料薄壁梁的自由振动

研究具有SMA主动纤维的旋转复合材料单闭室薄壁截面梁的耦合自由振动问题.基于Hamilton原理并结合SMA纤维复合材料薄壁梁的二维截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,导出旋转单闭室截面薄壁复合材料梁的1D耦合自由振动分析模型.该模型还考虑薄壁梁调矩角和预锥角的作用.采用Galerkin法求解振动模型,获得梁耦合振动...     

三自由度齿轮系统的双参数分岔与全局特性研究

以三自由度齿轮系统为研究对象,通过构造参数平面内不同运动类型的边界线算法,得到了系统在参数平面内的分岔曲线。为了判断分岔曲线的分岔类型,构造了三自由度齿轮系统Poincaré映射的Jacobi矩阵及Floquet乘子算法。结合系统的分岔图、最大Lyapunov指数图(TLE)、相图、Poincaré映射图和Floquet理论,讨论了双参数平面上系统的分岔特性以及参数平面内系统动力学特性的演变,并利用胞映射法对系统随啮合频率变化下的全局动力学特性进行了研究。结果表明:系统在参数平面k-ξ33内存在倍化分岔曲线、鞍结分岔曲线、Hopf分岔曲线等;阻尼系数越大,综合误差越小,系统运动越稳定;鞍结分岔对系统的全局稳定性影响较大,而Hopf分岔对系统的全局稳定性影响较小。研究结果可为齿轮系统设计和参数选择提供理论依据,研究方法也适用于其它非线性系统的双参数分岔分析。     

带集中质量的旋转柔性曲梁动力学特性分析

本文对带集中质量的平面内旋转柔性曲梁动力学特性进行了研究.基于绝对节点坐标法推导出曲梁单元,其中该曲梁单元采用Green-Lagrangian应变,并根据曲梁变形前后的曲率变化和曲率的精确表达式计算了曲梁单元弹性力所作的虚功.通过虚功原理,利用δ函数和中心刚体与悬臂曲梁之间的固支边界条件,建立了带集中质量的旋转柔性曲梁非线性动力学模型.基于该模型,本文仿真计算了悬臂曲梁的纯弯曲问题和带有刚柔耦合效应的旋转柔性曲梁动力学响应问题,以此分别讨论了所提出曲梁单元的收敛性和动力学模型的正确性.进一步应用D’Alembert原理,将旋转曲梁等效为带离心力的无旋转曲梁,通过线性摄动处理得到系统的特征方程,以此分别研究了旋转角速度、初始曲率和集中质量对曲梁动力学特性的影响.最后重点分析了旋转曲梁的频率转向和振型切换问题,并阐述了两者之间的相互关系.研究结果表明:随着旋转角速度的增大,曲梁的频率特性与直梁的频率特性相近,以及曲梁拉伸变形占主导的模态振型会提前.     

功能梯度圆锥扁壳的1:2内共振研究

对热载荷和机械载荷共同作用下的功能梯度圆锥扁壳进行了1:2内共振分析。假设材料属性与温度有关,材料组分沿厚度方向呈幂律梯度变化,基于一阶剪切变形理论和von-Karman几何非线性关系,运用Hamilton原理建立功能梯度圆锥扁壳的非线性动力学方程;采用Galerkin法将运动控制方程离散成一个两自由度非线性动力学系统,采用多尺度法对上述方程进行摄动分析,获得了系统的平均方程,进一步得到频率响应函数和力幅响应函数。研究了材料体积分数指数和面内载荷对幅-频响应特性的影响,结果表明:研究可以得出:改变材料体积分数指数会影响材料中金属的含量及分布,从而引起幅-频响应曲线刚度特性和共振峰带宽的变化;面内载荷的变化不会影响幅-频响应曲线的刚度特性,但是会改变共振峰的带宽。本文还研究了振幅跳跃现象,通过Runge-Kutta法对共振系统进行数值仿真,研究了面内载荷对系统非线性动力学行为的影响,得出:随着面内载荷的变化,系统的运动从周期运动经历概周期运动变成混沌运动。