单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

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.      

NONLINEAR VIBRATION OF CIRCULAR SANDWICH PLATES UNDER CIRCUMJACENT LOAD

Based on von Karman plate theory, the issue about nonlinear vibration for circular sandwich plates under circumjacent load with the loosely clamped boundary condition was researched. Nonlinear differential eigenvalue equations and boundary conditions of the problem were formulated by variational method and then their exact static solution can be got. The solution was derived by modified iteration method, so the analytic relations between amplitude and nonlinear oscillating frequency for circular sandwich plates were obtained. When circumjacent load makes the lowest natural frequency zero, critical load is obtained.     

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.      

周期集中载荷作用下球形扁壳的非线性振动问题

本文用半解析法推导了周期集中载荷作用下,周边固定球形扁壳的非线性振动微分方程.然后用小参数法求出了非线性的非共振周期解和共振周期解.绘出了不同几何特征参数下的振幅——频率图.     

风作用下覆冰悬索的非平面非线性动力学

主要研究侧向风载荷作用下小垂度覆冰悬索的非线性非平面运动的复杂动力学.根据分析力学、弹性力学和空气动力学理论,建立覆冰悬索3个自由度非线性振动的偏微分运动方程,并对其进行无量纲化,运用Galerkin方法对偏微分运动方程进行离散得到3个自由度的常微分方程,再利用多尺度法得到面内主共振2:1内共振的平均方程.利用数值方法研究悬索的非线性运动,结果表明系统呈现周期、多倍周期、概周期和混沌运动的规律.     

Nonlinear dynamic analysis of space cable net structures with one to one internal resonances

The nonlinear dynamic analysis of cable net structures becomes more and more significant for their space applications required high surface accuracy, especially mesh reflector antennas. In this work, the resonant multi-modal dynamics due to 1:1 internal resonances in the finite-amplitude vibrations of cable net structures subjected to harmonic loads are investigated. The nonlinear dynamic equation of space cable net structures is first developed using the extended Hamilton principle, which belongs to the self-excited vibration with quadratic and cubic nonlinearities. Linear modal analysis is then performed to decouple the nonlinear differential equations, and yields a complete set of system quadratic/cubic coefficients. With the aim of parametrically revealing nonlinear behaviors of space cable net structures, the second-order asymptotic analysis under 1:1 internal resonance is accomplished by the method of multiple scales. The nonlinear phenomena of a planar cable net and cable net reflector, such as the bending of response curve, jump phenomena, instability regions, saddle-node bifurcation, are verified by means of numerical analysis.     

考虑弯扭形变的薄壁箱形梁的非线性后屈曲

在大位移和扭转的前提下,通过一中等弯曲扭转的位移场描述了薄壁箱形梁在偏心载荷作用下的静稳定性问题.该非线性公式可用于分析简支薄壁箱形梁在不同载荷作用下的屈曲和后屈曲行为.采用伽辽金方法将非线性微分系统离散,并通过牛顿-拉普森增量迭代法求解得代数方程组.数值计算结果表明,当前屈曲位移不可忽略时,经典的横向屈曲预测是保守的...     

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。     

热弹耦合圆板非线性振动的研究

对温度场中圆板的非线笥热弹耦合自由振动问题,由非线性振动方程、协调方程及热传导方程出发,动用伽辽金法求解,得出一个关于时间的非线笥常策分方程组。将热弹耦合与非热弹耦合情况进行对比,发现给定初始位移较小时,热弹耦合效应使板的固有频率相对与无热弹耦合情形提高;给定初始位移较大时,热弹耦合２使固有频率降低,该文不还比较了不同热弹参数和边界条件对热弹耦合效应的影响。     

FREQUENCY DOMAIN CALCULATION METHOD FOR WIND-INDUCED RESPONSE OF MONOLAYER CABLE NET

以随机振动理论为基础,采用频域法对单层索网结构风振响应进行了研究,主要探讨不同计算方法和空间相干函数的选取等问题对索网结构风振响应的影响. 依据不同的计算方法和空间相干函数,建立了3 种分析模式进行了分析. 分析结果表明：对于频率密集的索网结构,需要考虑模态交叉项对计算结果的影响;空间相干函数的选取对计算结果影响较大,采用与风频率相干的空间相干函数更为合理.     

四边简支功能梯度圆锥壳的非线性振动分析

研究了四边简支条件下功能梯度圆锥壳的非线性自由振动。首先,通过Voigt模型和幂律分布模型描述了功能梯度材料的物理属性。然后,考虑von-Karman几何非线性建立了功能梯度圆锥壳的能量表达式,利用Hamilton原理推出圆锥壳的运动方程。在此基础上,采用Galerkin法,只考虑横向振动,功能梯度圆锥壳运动方程可简化为单自由度非线性振动微分方程。最后,通过改进的L-P法和Runge-Kutta法求解非线性振动方程,讨论功能梯度圆锥壳的非线性振动响应,分析几何参数和陶瓷体积分数指数对圆锥壳非线性频率响应的影响。结果表明,几何参数对非线性频率和响应的影响相较于陶瓷体积分数指数更明显;圆锥壳的几何参数和陶瓷体积分数指数通过改变非线性频率影响振动响应;功能梯度圆锥壳呈弹簧渐硬非线性振动特性。     

斜拉桥塔-索-桥面耦合参数振动模型及响应分析

针对大跨度斜拉桥拉索与桥塔、桥面的协同振动问题,考虑拉索垂度、阻尼、倾角以及重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了桥塔和桥面共同激励作用下斜拉索耦合振动方程,对比分析了2种激振模式下斜拉索的参数振动特性,并编制程序研究了桥面与拉索的频率比、桥面激励幅值、索力及阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明：桥面与拉索频率比对系统振动的影响较大,频率比为1:2和2:1时拉索均产生强烈振动,但2:1激振模式下拉索振幅更大,达到共振时间较长;随着桥面激励幅值的增大,2:1亚谐波共振模式下的拉索振幅增长速率更快;拉索振幅随索力的增大呈非线性减小趋势;斜拉索阻尼超过2%时,继续提高自身阻尼不能有效减小其振动幅值,需要通过设置附加阻尼才能更好地抑制其振动。     

Magnetic field effects on the nonlinear vibration of a rotor

The nonlinear vibration of a rotor operated in a magnetic field with geometric and inertia nonlinearity is investigated. An asymmetric magnetic flux density is generated,resulting in the production of a load on the rotor since the air-gap distribution between the rotor and the stator is not uniform. This electromagnetic load is a nonlinear function of the distance between the geometric centers of the rotor and the stator. The nonlinear equation of motion is obtained by the inclusion of the nonlinearity in the inertia, the curvature, and the electromagnetic load. After discretization of the governing partial differential equations by the Galerkin method, the multiple-scale perturbation method is used to derive the approximate solutions to the equations. In the numerical results, the effects of the electromagnetic parameter load, the damping coefficient, the amplitude of the initial displacement, the mass moment of inertia, and the rotation speed on the linear and nonlinear backward and forward frequencies are investigated. The results show that the magnetic field has significant effects on the nonlinear frequency of oscillation.     

固有模态函数振动传递率损伤识别实验研究

针对风荷载、地震荷载等存在但难以精确量测的问题,提出一种无需量测外荷载的新的损伤识别方法。将经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)的振动传递率,构建了一种新的结构损伤识别参数。对预置不同程度开胶损伤的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,与无损伤条件下的固有模态函数振动传递率进行比较来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究表明:此方法无需量测外荷载也能识别结构损伤,损伤参数值能反映损伤大小。     

一种求解非线性振动系统渐近解的新方法——计算向量场Normal Form系数的简单方法

利用非线整变换,本文推导出了一种只需通过简单代数运算即可算出Hopf分叉Normal Form系数的简单方法,用这种方法求解非线性振动问题,只需把原方程变换成本文讨论的典则形式的一阶微分方程组,然后进行简单的代数运算即可得到原非线性振动方程的解,这种方法简单方便容易掌握。     

桅杆结构静力分析简化计算方法

通过整体分析,推导出空间单索在任意荷载作用下的静力计算公式和空间索单元的非线性刚度方程,在此基础上,给出桅杆结构静力分析简化计算的非线性方程式。     

桅杆风致破坏机理研究

桅杆风致破坏的情况屡见不鲜。桅杆的非线性是相当复杂的,它是由拉索的几何非线性和拉索的张力产生的,拉索的张力又依赖于拉索的几何位置。研究指出由于在经常性风荷载作用下,桅杆产生空间混沌振动,并由此产生疲劳破坏的结果,但这些研究仅限于确定性情况。本文中将研究扩展到随机问题,数值计算结果表明该系统存在随机混沌现象,其响应平均值与平均应力指出混沌性质。为了进一步研究桅杆破坏机理,因此在本文中,既考虑突发性故障问题,又考虑随机疲劳寿命问题,并给出时间与应力极值概率。     

考虑非稳态风荷载斜拉索风雨激振响应分析

为研究自然风荷载对斜拉桥拉索风雨激振的影响,将数值模拟的非稳态风荷载作用到拉索振动微分方程中,对拉索振动响应进行了详细分析。首先,针对水线初始位置,使用最小二乘法拟合得到水线初始位置方程;接着,采用四阶Runge-Kutta法求解拉索振动响应。通过比较在非稳态风和稳态平均风作用下的拉索响应,发现在非稳态风荷载下拉索最大振幅的变化趋势并没有发生较大改变,皆是随着风速的增大先增大后减小;但拉索的整个振动过程发生了变化,伴随着节拍改变,其最大振幅也出现在不同振动周期内。此外,从风速-振幅曲线知,对频率为1 Hz,2 Hz和3 Hz的拉索,在一定风速范围内,考虑非稳态风荷载的拉索振幅反而更大,而且此时的风速范围也更大。     

轴对称弹性圆锥扁壳非线性自由振动直接摄动解法

本文采用弹性圆锥扁壳中心无量纲振幅和壳体母线的倾角为参数，将挠度、应力函数的导数以及自由振动频率展开为双参量的幂级数形式．用直接摄动法获得各级递推线性偏微分方程．应用变分法求得各级递推方程的近似解答．从而给出弹性圆锥扁壳非线性自由振动频率的基本公式。