分布轴向力作用下隔水管横向自由振动分析

隔水管固有频率的精确计算对保证隔水管的安全使用和防止共振的发生有着极为重要的意义.在分析中,考虑了分布轴向力和顶张力的共同作用,建立了隔水管横向振动力学模型;基于牛顿定律和纵横弯曲梁理论,对微单元受力分析,得到隔水管横向自由振动的四阶偏微分方程;利用分离变量法将四阶偏微分方程简化为四阶变系数常微分方程;采用积分法求解四阶变系数常微分方程,得到隔水管横向自由振动固有频率的解析解.结果表明:(1)分布轴向力作用下隔水管横向自由振动的固有频率和振型,与将分布轴向力简化为集中力作用下隔水管的固有频率和振型有很大差别;(2)顶张力一定时,随着分布轴向力减小,隔水管固有频率增大;分布轴向力一定时,随着顶张力增大,隔水管固有频率增大;(3)采用积分法求解隔水管横向振动特性时,计算精度高,为隔水管的优化设计提供了可靠的理论依据.     

SIMULATION OF TRANSVERSE VIBRATION OF SLENDER ROD STRING IN THE VERTICAL CYLINDER UNDER BUCKLING DISPLACEMENT EXCITATION1)

对于铅直圆筒内受交变拉压轴向载荷作用的细长杆柱,当杆柱底端所受到的轴向压力大于杆柱屈曲的临界载荷时,细长杆柱在圆筒内将产生螺旋屈曲,杆柱的屈曲变形将激励杆柱在圆筒内产生横向振动。以细长杆在圆筒内的瞬时屈曲构型作为杆柱横向振动的位移激励,建立了屈曲位移激励下的细长杆在圆筒内横向振动与杆管碰撞规律的仿真模型。采用有限差分法对井深进行离散,Newmark 法对时间进行离散,以恢复系数法建立了细长杆和圆筒的碰撞条件,对细长杆在圆筒内的横向振动数学模型进行了数值仿真。仿真结果表明,细长杆和圆筒内壁的碰撞现象主要发生在细长杆底端受压发生屈曲后,且几乎沿整个圆筒都有发生,从圆筒顶部至底部的碰撞力峰值逐渐增大;而在杆柱底端受拉时碰撞现象很少,碰撞力也较小。     

铅直圆筒内细长杆柱在屈曲位移激励下的横向振动仿真

对于铅直圆筒内受交变拉压轴向载荷作用的细长杆柱,当杆柱底端所受到的轴向压力大于杆柱屈曲的临界载荷时,细长杆柱在圆筒内将产生螺旋屈曲,杆柱的屈曲变形将激励杆柱在圆筒内产生横向振动。以细长杆在圆筒内的瞬时屈曲构型作为杆柱横向振动的位移激励,建立了屈曲位移激励下的细长杆在圆筒内横向振动与杆管碰撞规律的仿真模型。采用有限差分法对井深进行离散,Newmark法对时间进行离散,以恢复系数法建立了细长杆和圆筒的碰撞条件,对细长杆在圆筒内的横向振动数学模型进行了数值仿真。仿真结果表明,细长杆和圆筒内壁的碰撞现象主要发生在细长杆底端受压发生屈曲后,且几乎沿整个圆筒都有发生,从圆筒顶部至底部的碰撞力峰值逐渐增大;而在杆柱底端受拉时碰撞现象很少,碰撞力也较小。     

轴向变速运动正交各向异性板的动态稳定性

研究面内载荷作用下轴向变速运动正交各向异性薄板的横向振动及其稳定性。利用Galerkin法与平均法,在激励频率为2倍固有频率或为两阶固有频率之和附近时得到自治的常微分方程组;在参数激励频率和激励振幅平面上,分析由共振引发的失稳区域。数值算例验证了面内载荷、轴向速度、加速度参数对失稳区域的影响。     

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

能量法与加权残数法相结合解力学中的特征值问题

本文在文献[1]的基础上,应用加权残数法中的配线法[2]来放松原问题的边界条件,并通过哈密顿原理[3]或最小势能原理,讨论了具有一些特殊边界下的平板振动和稳定问题.针对本文所提方法给出的特征方程特点,提出了一种求解特征值的有效算法.作为数值算例,本文计算了二种常用的增强纤维复合材料,在各种铺设下的层合板的横向振动,和轴向力压缩下的稳定问题,并讨论了层数及弯扭藕合项对振动固有频率和失稳临界力的影响.     

圆截面弹性细杆的平面振动

基于Kirchhoff理论讨论圆截面弹性细杆的平面振动．以杆中心线的Frenet坐标系为参考系建立动力学方程．杆作平面运动时,其扭转振动与弯曲振动解耦．讨论任意形状杆的扭转振动和轴向受压直杆在无扭转条件下的弯曲振动,证明直杆平衡的静态Lyapunov稳定性与欧拉稳定性条件为动态稳定性的必要条件．考虑轴向力和截面转动惯性效应的影响,导出弯曲振动的固有频率．     

功能梯度变截面梁自由振动和稳定性研究

基于忽略了梁截面剪切变形和转动惯量效应的Euler-Bernoulli梁理论,研究了轴向力作用下轴向功能梯度变截面梁的横向自由振动问题,将轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率和临界荷载的计算转化为变系数常微分方程特征值问题。运用插值矩阵法可一次性计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率和临界荷载,分析了轴向荷载对轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率的影响,即轴向压力使梁的第1阶固有频率降低,轴向拉力使梁的第1阶固有频率增大。在简支-简支梁(H-H)边界条件下、不同截面宽锥度系数c_b和截面高锥度系数c_h,且区间划分点数n为40时,本文计算结果与已有文献计算结果之间的最大相对误差不超过0.00768%;在简支-简支梁(H-H)、固端-自由梁(C-F)、固端-固端梁(C-C)这三种不同边界条件下,不同c_b和c_h,且n为40时,最大相对误差不超过0.101%,说明了本文方法的有效性和良好的计算精度。     

轴向力作用下双层梁的振动与稳定性分析

基于Adomian修正分解法研究轴向力作用下双层梁的自由振动和稳定性.通过Euler-Bernoulli梁振动理论建立轴向力作用下、具有Winkler弹性联系的双层梁自由振动微分方程组.并通过Adomian修正分解法把该特征微分方程组转换成递归代数公式,然后利用边界条件推导得到该双层梁的固有频率及相应的振形函数解析表达式.通过与前人的计算结果比较,验证了本文方法的有效性.并讨论了双层梁的厚度比以及作用在双层梁上的轴向力之比等参数对其固有频率和稳定性的影响.     

气体钻井钻柱气固耦合横向振动的数学建模与求解

建立了考虑气体钻井液对钻柱内外耦合影响时的钻柱横向振动模型,包含了钻柱轴力、钻柱内注入压力、环空压力以及钻柱内气体对钻柱振动的影响;求解了钻柱振动方程,并分析了钻柱横向振动固有频率。研究表明注入物质的流动速度对钻柱的横向振动固有频率影响很大,流动速度达到一定程度时对钻柱的稳定性有较大影响,可能诱发钻柱弯曲失稳。     

THE TRANSVERSE NONLINEAR FREE VIBRATION AND THE BUCKLING OF A COMPRESSIVE BAR ON AN ELASTIC FOUNDATION

基于Hamilton 原理,运用假设时间模态法,得到了弹性基础上压杆的横向非线性自由振动与屈曲的位移型常微分控制方程. 考虑一端固定另一端可移简支边界条件,采用打靶法得到了结构第一至第三阶结构频率与一阶屈曲载荷的数值结果. 结果表明：随轴心压力增加,结构频率减小;随弹性基础刚度增加,结构频率与屈曲载荷均增加;弹性基础刚度对结构频率的影响随振型阶数增加在减小;在小振幅的情形下,不同振型对一阶屈曲载荷的影响很小.     

轴向受载的Bernoulli—Euler薄壁梁固有振动和稳定性的理论研究

通过直接求解轴向受载的单对称均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其动态传递矩阵,讨论了轴向载荷的变化对薄壁梁弯扭耦合振动固有频率的影响,并由此得到零频率振动（弹性屈出）发生时相应的轴向载荷,数值结果表明本文方法在其适应范围内是精确有效的。     

两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究

针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺栓连接形式,基于有限元静刚度计算、动力学简化建模、冲击响应特性分析及结构冲击试验,系统研究了两种连接形式的轴向刚度特性及其对动力学冲击响应的影响.有限元静刚度分析揭示了法兰对接与径向套接的轴向拉压刚度分别是非对称的和对称的,而法兰对接的平均刚度更大.之后,为两种连接形式建立了统一的动力学模型,证明非对称的轴向拉压刚度导致结构在受到横向载荷作用时会产生附加的耦合轴向振动,并且利用高精度幂函数拟合刚度跳变,得到耦合轴向振动频率是弯曲振动频率的二倍的结论.最后,通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二倍频的耦合轴向振动,而径向套接则不存在该耦合振动.径向套接虽然一阶频率较低,但阻尼效果更好.     

超空泡运动体圆柱薄壳的非线性动力屈曲分析

超空泡运动体的动力屈曲失稳具有隐蔽性、突发性和危险性, 因而必须研究清楚运动体的失稳区域边界及失稳振幅. 将超空泡运动体模拟成受轴向周期载荷作用的细长圆柱薄壳, 给出非线性几何方程、物理方程和平衡方程, 建立细长圆柱薄壳带有非线性项的动力屈曲微分方程组; 依据非线性项的形式, 给出合理的非线性位移表达式, 得到具有周期性系数的非线性横向振动微分方程; 采用伽辽金变分法和和鲍洛金方法, 获得带有周期性系数和非线性项的马奇耶方程; 求解非线性马奇耶方程, 得到第一、第二阶不稳定区域内的定态振动振幅的解析表达式; 绘制超空泡运动体的非线性参数共振曲线, 分析航行速度、载荷比例系数、轴向载荷频率和振型对参数共振曲线的影响. 以上研究为建立基于参数共振的圆柱薄壳动力失稳的可靠性分析及基于参数共振可靠性的结构动力优化设计的奠定了理论基础.      

Fluid structure interaction of cantilever micro and nanotubes conveying magnetic fluid with small size effects under a transverse magnetic field

Micro and nanotubes have found major application in fluidic systems as channels for conveying fluid. In some micro and nanofluidic applications such as drug delivery, a transverse magnetic field can be used to guide the fluid flow by generating an axial force in the flow direction. An important issue in the design of micro and nanofluidic systems is the structural vibration caused by the fluid flow. In the current study, we investigate the effect of transverse magnetic field on the vibration of cantilever micro and nanotubes conveying fluid by considering the small size effects. We couple the nonlocal Euler–Bernoulli beam model with Navier–Stokes theory to determine a fluid structure interaction (FSI) model for the vibration analysis of the system. We modify the FSI governing equation by driving a velocity correction factor to consider the effect of transverse magnetic field on the fluid flow’s pattern through the tube. Then, we use the Galerkin’s method to obtain the frequency diagrams for the instability analysis of the system. We show that the transverse magnetic field can have a substantial effect on the dynamics of tube conveying fluid by increasing the system’s natural frequencies and critical flow velocity which contributes to the flutter instability. We also discover that although the transverse magnetic field plays a crucial role on dynamics of microstructures, its effect on the dynamics of nanotubes is not significant and can be ignored.     

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小. 窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.      

运动车辆横向振动半车模型分析

通过半车模型, 数值研究平滑路面上运动车辆车体的前两阶横向振动频率. 将车体模型化为两端自由的Euler-Bernoulli梁, 半车模型的车轮模型化为两个弹性不等的弹簧. 建立半车模型的数学模型描述车体的横向振动. 以两端自由的静态梁的模态为试函数和权函数, 通过高阶Galerkin截断计算车体横向振动的频率, 并研究车辆运行速度、车体刚度、弹簧刚度等参数对车体振动频率的影响.