流体诱发水平悬臂输液管的内共振和模态转换(Ⅰ)

运用牛顿法导出水平悬臂刚性输液管的非线性动力学数学模型．为了对该模型进行理论分析,通过对各个相关实际物理量的量级定性分析,给出了模型中各个物理参数的量级．在此基础上,应用多尺度法首先得到输液管自由振动模态的特征函数,利用悬臂管的边界条件给出了特征值满足的特征方程, 发现管内流体速度可以诱发第一阶模态和第二阶模态3种形式的内共振分别是3∶1、2∶1和1∶1内共振, 从理论上解释了流速诱发水平悬臂输液管系统内共振的机理．由于3∶1内共振所对应的流速最小,因此这种形式的内共振是最先出现的,也是最重要的．     

微尺度悬臂管颤振的有限维研究

基于修正的偶应力理论并考虑Lagrange应变张量所给出的几何非线性,运用Hamilton原理建立了微尺度悬臂管平面振动的积分-微分方程.通过Galerkin方法将原积分-微分方程离散成常微分方程组,研究了临界流速-质量比曲线的不同阶Galerkin近似解与精确解的符合程度以及它们对材料长度尺寸参数的依赖性.对不同的模态截断数,运用基于中心流形-范式理论的投影法计算了临界流速处系统的第一Lyapunov(李雅谱诺夫)系数和临界特征值关于流速的变化率,以此为基础分析了系统的分岔模式,探讨了模态截断数对系统动力学性质的影响.临界流速-质量比曲线的滞后部分及交点处的动力学性质表明,系统存在不同的分岔方向,用6个模态的Galerkin离散化方程作分岔图对此进行了验证,并通过理论分析及数值方法分别计算了颤振的固有频率.     

流体诱发水平悬臂输液管的内共振和模态转换(Ⅱ)

基于得到的水平悬臂输液管非线性动力学控制方程,详细研究了由流速最小临界值诱发的3∶1内共振．通过观察内共振调谐参数、主共振调谐参数和外激励幅值的变化,发现在内共振临界流速附近,流速导致系统出现模态转换、鞍结分岔、Hopf分岔、余维2分岔和倍周期分岔等非线性动力学行为,对应的管道系统的周期运动失稳出现跳跃、颤振和更加复杂的动力学行为．通过理论结果与数值模拟比较,表明了理论分析的有效性和正确性．     

Influences of Attack Angles on Aerodynamic Derivatives and Flutter Characteristics of Flat Box Girders北大核心CSCD

以南京第四长江大桥扁平箱梁为研究对象,通过节段模型自由振动风洞试验详细测试了模型在不同风攻角下的颤振响应,探讨了系统非稳态及稳态临界振幅随风速的演化规律.首先,基于颤振响应振幅包络,结合Hilbert变换,识别了系统振幅依存的模态阻尼,并初步阐释了颤振形态随风攻角转变的机理.其次,提取了系统在不同风攻角下的模态参数,基于双模态耦合闭合解法,识别了断面在不同风攻角下的非线性颤振导数,研究了关键颤振导数振幅依存性随风攻角变化的规律及对断面颤振形态和特性的潜在影响.最后,通过逐项拆解模态阻尼,深入剖析了风攻角对非耦合及耦合气动阻尼的影响,并阐明了分项阻尼导致系统颤振性能差异性的动力学机理.     

受迫振动的超临界输液管Galerkin数值模拟

当流速超过临界值,输液管的直线平衡位形会发生失稳,但是系统会重新稳定在新的曲线平衡位置.通过引入坐标变换的方法,动力学模型转变为含有变系数的偏微分控制方程.采用4阶Galerkin截断的方法,使控制方程转变为常微分方程.给出具体的数值算例,发现4阶截断的固有频率要比2阶截断的固有频率更精确.同时,计算出前两阶固有频率出现可公度的情况,从而激发2∶1内共振现象.利用Runge-Kutta数值模拟的方法,在发生内共振流速范围的特定区域进行大量数值运算,结果表明高维系统的条件下,管道的不同径向坐标点的横向位置处,均出现软硬特性,而在内外共振完全调谐时,出现双跳跃现象.     

周期激励浅拱1∶2内共振参数平面定常运动分布

本文研究了已具有静变形的受周期激励作用下浅拱在１：２内共振条件下的分岔特性，进而按系统的运动形式将整个参数平面分成不同的区域，得到了物理参数平面上浅拱的定常运动分布情况，结合数值分析方法详细分析了系统在各个区域内特别是Ｈｏｐｆ分岔区域内系统的动力学特性，指出系统模态相互作用的规律及其通向混沌的过程·     

微重力环境下充液球腔非线性耦合动力学研究

采用球坐标系描述球腔中的液体动力学特性并建立一种轴对称贮腔类液刚耦合系统动力学模型．采用模态展开方法分析了微重环境下球形贮箱中的液体晃动问题,给出了球形贮箱内液体晃动速度势函数和波高函数的Gauss超几何级数解析表达式．采用变分原理推导了系统动力学系模型,利用Galerkin 方法对变分方程进行特征频率分析．运用Lagrange方法及非线性动力学方法导出了微重力环境下贮箱中液体与航天器结构耦合的动力学方程组,并对该方程组进行了数值计算,绘出了非线性耦合充液系统自由度随时间的变化历程．     

3∶1内共振下超临界输液管受迫振动响应

首次研究了超临界流速输液管在3∶1内共振条件下的稳态幅频响应.考虑超临界速度引起的管道屈曲位形,建立描述连续体非线性振动的偏微分-积分方程.通过Galerkin截断方法,将连续体方程离散化.对于同时含有平方与立方非线性的多自由度系统,发展高阶多尺度法建立可解性条件.稳态幅频响应曲线揭示了内共振条件下,不同模态间能量的转移.最后,数值仿真结果验证了近似解析分析的有效性.     

分段线性非线性汽车悬架系统的分岔行为

建立了由主、副簧组成的分段线性非线性悬架系统动力学模型,应用奇异性理论研究了两个自由度汽车悬架系统共振解的分岔,得到系统的转迁集和40组分岔图,发现了非常复杂的局部分岔,分岔图全面展示了这一系统的分岔特性.由系统参数与该系统的拓扑分岔解之间的联系,分析并得到了不同参数下系统的运动特性,为实现悬架参数的优化控制提供了理论依据.     

基于非约束模态的中心刚体-Timoshenko梁动力学建模与分析北大核心CSCD

梁的横向变形会导致梁纵向缩短,建模过程中考虑梁横纵变形二次耦合项则存在动力刚化现象,这说明梁的纵向变形会对模型的广义刚度造成影响.对于做旋转运动的梁结构,旋转运动时还会受到离心力的作用而产生轴向拉力,轴向拉力同样也会引起梁的轴向变形,这种影响对粗短梁更加明显.以大范围运动中心刚体-Timoshenko梁模型为研究对象:首先,运用Timoshenko梁理论以及Hamilton原理建立含离心力的动力学模型;其次,引入非约束模态概念,采用Frobenius方法求解非约束模态振型函数以及固有频率;最后,通过数值仿真探究不同恒定转速时非约束模态与约束模态广义刚度的差异和非约束模态条件下离心力对模型的影响.     

微曲输流管道振动固有频率分析与仿真北大核心CSCD

首次建立了基于Timoshenko梁理论的微曲输流管道横向振动的动力学模型,并分析了流体流动影响下微曲管道横向自由振动的固有特征.采用广义Hamilton原理,导出了考虑流体影响的微曲管道横向振动的控制方程,通过Galerkin截断对控制方程离散化,再由广义本征值问题得到管道横向振动的固有频率,并研究了液体流速和弯曲幅度对管道横向固有振动特征的影响.发展了基于等效刚度和等效阻尼方法的考虑流体影响的微曲管道振动分析的有限元仿真计算方法,并通过有限元软件实现数值仿真,验证了Galerkin截断的分析结果以及所建立的Timoshenko微曲管道动力学模型的有效性.研究表明,流体的流速以及管道的弯曲幅度对管道横向振动固有频率均有显著影响.     

Nonlinear Frequency Analysis of FGM Pipes Based on the Homotopy Method北大核心CSCD

Based on the homotopy analysis method, the nonlinear vibration of porous functionally graded material (FGM) conveying pipes under generalized boundary conditions was studied. Based on the power-law distribution of the FGM and the Voigt model, the physical properties of the porous pipe material were described. Under the Euler-Bernoulli beam theory and the von Kármán nonlinear theory, and by means of Hamilton’s variational principle, the dynamic control equations and generalized boundary conditions for porous FGM conveying pipes were established. The homotopy analysis method was used to solve the nonlinear vibration characteristics of the porous FGM conveying pipe under generalized boundary conditions. The numerical results show that, the translation spring has little effect on the critical velocity of instability, while the rotation spring increases the critical velocity of instability, making the system more stable; in the nonlinear system, the viscoelastic coefficient does not change the critical velocity; the pipe length, the power-law exponent and the porosity all influence the nonlinear free vibration of the porous FGM conveying pipe. © 2023 Editorial Office of Applied Mathematics and Mechanics. All rights reserved.     

弹性地基输流管道的耦合模态颤振分析

推导出了弹性地基输流管道的固-液耦合振动微分方程,用幂级数法计算了Winkler模型地基和双参数模型地基输流管道的临界流速和复频率,分析了弹性地基对输流管道静力稳定性与动力稳定性的影响.结果表明,与不考虑弹性地基的情况相比较,弹性地基的作用可使管道发生静力失稳和动力失稳的临界流速增大,并且增大弹性地基参数可提高静力失稳和动力失稳的临界流速,从而推迟发散与颤振的发生.当质量比β较大时,管道会在某个地基参数组合下,在发生静力失稳后,会在较高流速下出现再稳定和再发散现象,然后发生耦合模态颤振.     

输流粘弹性曲管的稳定性分析

根据变质量弹性系统Hamilton原理,用变分法建立了输流粘弹性曲管的运动微分方程,并用归一化幂级数法导出了输流粘弹性曲管的复特征方程组．以两端固支Kelvin-Voigt模型粘弹性输流圆管为例,分析了无量纲延滞时间和质量比对输流管道无量纲复频率和无量纲流速之间的变化关系的影响．在无量纲延滞时间较大时,粘弹性输流圆管的特点是它的第1、2、3阶模态不再耦合,而是在第1、第2阶上先发散失稳,然后在1阶模态上再发生单一模态颤振．     

Vibration analysis of conveying fluid pipe via He’s variational iteration method

In this paper, a recently new semi-analytical method, i.e., He’s variational iteration method is developed to apply to free vibration analysis of conveying fluid pipe. The critical flow velocity and frequency of pipe conveying fluid are obtained with considering the various boundary conditions. The results are compared with the ones of different transform method, and prove VIM that has the same precision and efficient with DTM. The mode shapes of cantilevered pipe and both ends with elastic support pipe are shown under different flow velocity.     

简支Mexwell模型粘弹性输流管道的稳定性分析

在弹性输流管道研究的基础上,采用递推格式的有限差分法,对简支Maxwell模型粘弹性输流管道（回转守恒系统）,探讨了其动力特性和稳定性问题,具体分析了材料的松弛时间对无量纲流速与前三阶模态的无量纲频率的实部及虚部之间的变化曲线的影响。发现发散临界流速随松弛时间的减小而降低,随后发生的耦合模态颤振临界流速随松弛时间的减小而增大;甚至在质量比较大时,随着松弛时间的减小,可推迟乃至不发生耦合模态颤振。当无量纲松弛时间达到10^3量级以上时,即可将其按弹性管道处理。甚至在H为10^2量级时,按弹性管道处理也不会带来太大的误差。     

Wave propagation analysis in buried pipe conveying fluid

A study of wave propagation in buried pipe conveying fluid is presented in the paper. The Flüggle shell model is adopted for pipe and surrounding solid is modeled as elastic matrix by using Winkle model. Wave dispersion curves of a buried vacant pipe and a pipe conveying fluid are obtained numerically by considering coupling conditions. Results show that wave velocity exhibits sharp drop points in dispersion curves, and remains to an identical values before and after the points for both of vacant pipe and pipe conveying fluid. Effects of wall thickness, elastic matrix properties and fluid velocity are also discussed.     

Free vibration and stability analysis of a multi-span pipe conveying fluid using exact and variational iteration methods combined with transfer matrix method

In this paper, a new formulation based on the variational iteration method (VIM) is applied to investigate the dynamic behavior and stability of a multi-span pipe conveying fluid. Transfer matrix method (TMM) is used to assemble the system of equations resulting from applying the boundary conditions. The natural frequencies of the pipe system are obtained for different flow velocities. Results from VIM are compared with those predicted by the exact solution method and also with published literature. The influence of the number of spans on the VIM convergence is investigated. Also, the effects induced by varying the value and location of an intermediate elastic support on the critical velocity and stability are studied. It is shown that using VIM yields highly accurate results that are in very well agreement with the exact solution. The main advantage of the VIM is that it successfully overcomes well-known computational difficulties that are usually encountered during complex root finding step maintaining high precision as well.     

输送流体管道的固——液耦合动力学研究

根据Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理推导输送流体管道固—液耦合振动方程，得到反对称的固—液耦合阻尼矩阵和对称的固—液耦合刚度矩阵；用ＱＲ法计算管道固有频率，给出了管道前４阶固有频率—流速曲线；讨论了流体的流速、压强变化以及固—液耦合阻尼和固—液耦合刚度对管道固有频率的影响；用Ｎｅｗｍａｒｋ法计算不同流速时管道对阶跃载荷的动力响应；发现了各阶固有频率都有随流速的提高而降低、再提高、再降低的周而复始现象·