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。     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响，则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示，一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述；阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响；当系统大范围运动为低速时，模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标，最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹，并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.     

考虑刚弹耦合作用的柔性多体连续系统动力学建模

基于Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理建立起一般柔性体连续系统的动力学建模方法,进而以水平面内作大范围回转运动的柔性梁为例,在Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁模型的假设前提下,根据轴向不可伸长的柔性梁的几何约束条件;推导出作大范围刚体运动的柔性梁连续系统的一致线性化振动微分方程．采用假设模态法对其离散化,导出考虑刚弹耦合作用的柔性梁有限维离散化动力学模型．最后给出仿真算例,验证了该方法的有效性．     

带裂纹旋转柔性梁系统的刚柔耦合动力学研究

对具有刚柔耦合效应的带裂纹旋转柔性梁进行建模和动力学特性分析研究。采用晶格弹簧离散模型,利用无质量弹簧模拟梁上裂纹,通过考虑梁变形的二阶耦合项建立了带裂纹旋转柔性梁系统的一次近似耦合动力学控制方程。数值计算结果表明,裂纹的存在会使旋转柔性梁的固有频率降低,并且随着梁转速的增大,这种降低效应呈减弱趋势;值得注意的是,裂纹梁的固有频率与裂纹处的弯矩具有正相关关系。此外,裂纹的存在不仅会使转速变化阶段梁的末端位移响应增大,还会对转速稳定后梁的末端振荡产生显著的影响。     

刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究

刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量．用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚－柔耦合动力学方程．计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异．     

柔性体的刚-柔耦合动力学分析

对柔性梁的刚－柔耦合动力学特性进行分析，从连续介质力学理论出发，在纵向变形位移中计及了耦合变形量，用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚－柔耦合动力学方程，定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质，比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异。为了确定零次近似模型的适用范围，引入与转速和基点加速度有关的相关系数，提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于0．1。在此基础上，进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理，计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律，揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异。     

具有附加质量的中心刚体-柔性梁的频率特性

本文采用一次近似模型研究了任意附加质量位置的中心刚体-柔性梁系统的频率特性。首先给出了一次近似模型的表达式，然后通过数值仿真研究了附加质量在梁上不同位置以及不同附加质量大小对系统频率的影响。结果表明，当附加质量在梁的前半段时，频率并不随其远离固定端而下降；但在靠近梁的后半端，频率则呈现出明显的下降趋势。     

中心刚体-变截面梁系统的动力学特性研究

对在平面内做大范围转动的中心刚体-变截面梁系统的动力学进行了研究. 考虑柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形, 且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向 缩短项, 即非线性耦合变形项. 采用假设模态法描述变形, 运用第二类Lagrange方程推导得 到系统刚柔耦合动力学方程. 在此基础上对做大范围旋转运动的中心刚体-楔形梁以及中心刚 体-梯形梁模型的动力学进行了详细研究. 研究表明: 梁宽比、梁高比以及梯形梁变截面位置 都对系统的动力学特性有很大影响.     

考虑附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性研究

对有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性进行了研究。柔性梁为等截面的Euler Bernoulli梁,针对柔性梁变形场使用假设模态法进行了离散,并运用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程后,采用Matlab编制了动力学仿真软件。首先讨论了附加质量对系统的固有频率与振型的影响,其次讨论了在大范围运动已知和未知的条件下,不同位置附加质量的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性,对带有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的中心刚体转角、梁末端位移响应以及中心刚体角速度的仿真结果进行了分析。结果表明:附加质量从柔性梁固定端向自由端移动时,柔性梁前五阶固有频率近似地呈现周期性变化;附加质量所处位置的不同,对于系统的刚柔耦合动力学响应以及系统振型的影响十分明显。     

基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型

将无网格径向基点插值法(radial point interpolation method, RPIM)用于中心刚体?旋转柔性板的动力学分析. 基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论, 考虑剪切变形的影响, 并计入板面内变形的非线性耦合变形项, 采用径向基点插值法描述板的变形场, 保留动能中有关非线性耦合变形项的所有高阶量, 通过构造高阶形函数避免了径向基点插值法出现剪切闭锁的现象, 建立了既能处理薄板问题又能处理中厚板问题的作大范围运动矩形板的高次刚柔耦合动力学模型. 高阶形函数可通过添加高阶多项式的方式获得, 静力学算例表明径向基点插值法中添加15项多项式可基本消除剪切闭锁. 将零次近似模型、一次近似模型和高次模型的仿真结果对比, 说明零次近似模型的缺陷, 同时说明高次模型有更广的适用范围, 可分析大变形问题. 将径向基点插值法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析, 说明本文方法的正确性, 也表明无网格径向基点插值法作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性.      

非惯性系下柔性悬臂梁的振动主动控制

采用变结构控制方法对非惯性系下柔性悬臂梁的振动主动控制进行研究．重点通过算例揭示一次近似模型与传统的零次近似模型的巨大差异，以及变结构方法在控制非惯性系下柔性悬臂梁的稳态振动的有效性．结果表明，当大范围旋转运动角速度较大时，传统零次近似模型不能对动力系统进行正确的数学描述；变结构控制方法能够使得非惯性系下梁的稳态振动得到完全镇定，且该方法对转动角速度变化具有较好的鲁棒性；采用零次近似模型进行控制设计的控制效果将在某一临界角速度条件下出现失效，该临界角速度值大于静止悬臂梁的基频．     

Dynamic analysis of a flexible hub-beam system with tip mass

For a dynamic system of a rigid hub and a flexible cantilever beam, the traditional hybrid coordinate model assumes the small deformation in structural dynamics where axial and transverse displacements at any point in the beam are uncoupled. This traditional hybrid coordinate model is referred as the zeroth-order approximation coupling model in this paper, which may result in divergence to the dynamic problem of some rigid–flexible coupling systems with high rotational speed. In this paper, characteristics of a flexible hub-beam system with a tip mass is studied. Based on the Hamilton theory and the finite element discretization method, and in consideration of the second-order coupling quantity of the axial displacement caused by the transverse displacement of the beam, the rigid–flexible coupling dynamic model (referred as the first-order approximation coupling (FOAC) model in this paper) and the corresponding model in non-inertial system for the flexible hub-beam system with a tip mass are presented firstly, then the dynamic characteristics of the system are studied through numerical simulations under twos cases: the large motion of the system is known and is unknown. Simulation and comparison studies using both the traditional zeroth-order model and the proposed first-order model show that even small tip mass may affect dynamic characteristics of the system significantly, which may result in the largening of vibrating amplitude and the descending of vibrating frequency of the beam, and may affect end position of the hub-beam system as well. The effect of the tip mass becomes large along with the increasing of rotating speed of large motion of the system. When the large motion of the system is at low speed, the traditional ZOAC model may lead to a large error, whereas the proposed FOAC model is valid. When the large motion is at high speed, the ZOAC model may result in divergence to the dynamic problem of the flexible hub-beam system, while the proposed second model can still accurately describe the dynamic hub-beam system.     

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

Dynamic modeling and modal truncation approach for a high-speed rotating elastic beam

Summary  In the classical finite element analysis of beams, the nonlinear terms of deformation are ignored due to the linearization of deformation based on the assumptions of structural dynamics. Since the number of generalized coordinates is large in flexible bodies when using the finite element method (FEM), the modal truncation approach (MTA) is usually used for improving computational efficiency, and only lower-order transverse modes are chosen. In this paper, dynamic modeling and application of the MTA to a high-speed rotating beam are studied. The foreshortening displacement is included in the longitudinal displacement, therefore the dynamic modeling takes account of the effect of geometric nonlinearity. Equations of a rotating beam are obtained and the FEM and MTA are used for discretization. The applicability of the MTA to a high-speed rotating elastic beam is verified. The comparison of the results obtained by the FEM and MTA shows that in the case of a high-speed rotation, the centrifugal force can excite high-order transverse modes. Since using lower-order transverse modes for modal truncation obviously can cause error, addition of more transverse modes may improve the result. Furthermore, a coupling effect between axial and transverse displacements is revealed. It is shown that in the case of a sudden change of the axial displacement, the inclusion of the axial modes can significantly improve the response. Received 10 April 2001; accepted for publication 26 March 2002 This work was supported by the National Science Foundation of China (19832040) and the National Education Ministry of China (2000024818), for which the authors are grateful.     

光滑节点插值法:计算固有频率下界值的新方法

将光滑节点插值法用于悬臂梁的静力学,并首次用于旋转柔性梁的频率分析. 采用梯度光滑技术,用线性插值形函数描述梁的位移场,求解4 阶微分方程. 在静力学分析中,将该方法所得梁中各点位移与假设模态法、有限元法及解析解的结果对比,可知该方法虽用简单的线性插值形函数描述梁的位移场,但精度却很高. 进一步研究表明,采用模态高于9 阶的假设模态法会使刚度阵条件数变差,导致结果发散. 在频率分析中,与有限元法、假设模态法和解析解对比,表明该方法一个重要特性:能提供固有频率的下界值,而有限元法和假设模态法只能提供固有频率的上界值,说明该方法结合有限元法在处理无解析解的问题时可以从上下界最大程度的逼近真实解,提高精度. 光滑节点插值法具有形函数结构简单、独立变量少且能提供固有频率下界值的特性,因此,具有较高的推广及应用价值.     

考虑尺度效应的微梁刚柔耦合动力学分析

不少微观实验已经证实,微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应.文章以转动刚体、柔性微梁组成的刚柔耦合系统为研究对象,采用偶应力理论(又称Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,运用拉格朗日方程推导出系统考虑尺度效应的一次近似刚柔耦合动力学方程.仿真结果表明,较该文提出的一次近似耦合模型,传统的零次近似耦合模型在刚体作高速旋转时不能正确地描述微梁的动力学行为;尺度效应使微梁振动的振幅减小,频率增大.