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.     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.      

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.     

轴向受载的Euler-Bernoulli梁的双向弯曲扭转耦合振动研究

本文研究了轴向受载的Euler-Bernoulli梁的双向弯曲扭转耦合自由振动问题.选择梁横截面的剪切中心作为坐标原点,坐标轴平行于梁截面的几何轴;振动微分方程中有关梁截面几何特性的参数均采用相对于几何轴的参数.结合具体的边界条件求解自由振动微分方程组,辅以Mathematica软件计算梁振动的固有频率.针对具体的算例,给出了三种边界条件下梁弯扭耦合振动的固有频率的数值结果,并与Ansys软件的计算结果进行了比较,分析了误差来源以及轴向荷载对弯扭耦合自由振动的影响.数值结果验证了本文方法在其适用范围内的精确性和有效性.本文忽略了翘曲刚度的影响.     

时变张力作用下轴向运动梁的分岔与混沌

轴向运动结构的横向参激振动一直是非线性动力学领域的研究热点之一. 目前研究较多的是轴向速度摄动的动力学模型,参数激励由速度的简谐波动产生. 但在工程应用中,存在轴向张力波动的运动结构较为广泛,而针对轴向张力摄动的模型研究较少. 本文研究了时变张力作用下轴向变速运动黏弹性梁的分岔与混沌. 考虑随着时间周期性变化的轴向张力,计入线性黏性阻尼,采用Kelvin模型的黏弹性本构关系,给出了梁横向非线性 振动的积分--偏微分控制方程. 首先应用四阶Galerkin截断方法将控制方程离散化,然后采用四阶Runge-Kutta方法计算系统的数值解,进而确定其动力学行为. 基于梁中点的横向位移和速度的数值结果,仿真了梁沿平均轴速、张力摄动幅值、张力摄动频率以及黏弹性系数变化的倍周期分岔与混 沌运动,并且通过计算系统的最大李雅普诺夫指数来识别其混沌行为. 结果表明:较小的平均轴速有助于梁的周期运动,梁在临界速度附近容易发生倍周期分岔与混沌行为. 随着张力摄动幅值的增大,梁的振动幅值的混沌区间不断增大. 较小的黏弹性系数和张力摄动频率更容易使梁发生混沌运动. 最后,给出时程图、频谱图、相图以及Poincaré 映射图来确定梁的混沌运动.      

约束阻尼梁的六阶模型分析

通过理论分析了约束阻尼三层梁振动分析常用的六阶模型,并指出了常用的六阶模型物理本质上的局限性,即基层与约束层的轴向位移之比u1/u3为常数.利用有限元模拟计算对不同边界条件对约束阻尼梁固有频率的影响进行了研究,结果发现与不考虑u1/u3为常数时的情况相比,考虑 u1/u3为常数时:对一端固支一端自由的悬臂梁计算影响最大,其一阶固有频率计算值偏高44.6%;对两端固支的梁,一阶固有频率计算值偏高4.94%;对简支梁的影响最小,一阶固有频率值只偏高0.9%.本文明确指出了约束阻尼梁振动分析常用六阶模型的适用范围.工程实际应用发现约束层与基层粘接到一起,近似相当于u1/u3为常数成立,减振效果较差,振幅降低小于10%;现场采取措施将与基层连接到一起的约束层断开,试验效果较好,减振幅度约为30%.     

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.     

非对称混杂边界轴向运动Timoshenko梁橫向振动分析

研究两端带有扭转弹簧且弹簧系数均可任意变化的非对称混杂边界下的轴向运动Timoshenko梁的横向振动.利用非对称混杂边界条件推导对应任意弹簧系数的系统超越方程以及特征函数.运用数值方法计算系统的固有频率及其相应的模态函数,并研究确定梁的刚度、轴向速度以及边界处扭转弹簧的刚度的影响.通过数值算例,比较7imoshenko梁、瑞利梁、剪切梁和欧拉梁的固有频率随轴向速度的变化,分析转动惯量和剪切变形的影响.     

轴向运动层合圆柱壳体的振动特性

研究了轴向运动层合圆柱壳体的振动特性．基于Donnell壳体理论,建立了轴向运动层合圆柱壳体的横向振动方程,使用Galerkin方法求解该振动方程,得到其固有频率,通过与有限元结果对比说明方法的有效性．分析了轴向速度、纤维方向角、长径比和厚径比对壳体振动特性的影响．研究表明：当纤维方向角为 (15?/-15?)s时,轴向运动柱壳前3阶固有频率达到最大值．     

超临界轴向运动梁横向非线性振动频域分析

数值方法研究超临界速度下轴向运动梁横向非线性振动前两阶固有频率.通过对非平凡平衡位形做坐标变换,建立超临界轴向运动梁的标准控制方程,一个积分-偏微分非线性方程.利用有限差分法数值离散梁两端简支边界下控制方程,计算轴向运动梁中点的横向振动位移,并将计算结果作为时间序列,运用离散傅立叶变换得到超临界轴向运动梁横向振动的频率...     

Transverse vibration characteristics of axially moving viscoelastic plate

The dynamic characteristics and stability of axially moving viscoelastic rect- angular thin plate are investigated.Based on the two dimensional viscoelastic differential constitutive relation,the differential equations of motion of the axially moving viscoelastic plate are established.Dimensionless complex frequencies of an axially moving viscoelastic plate with four edges simply supported,two opposite edges simply supported and other two edges clamped are calculated by the differential quadrature method.The effects of the aspect ratio,moving speed and dimensionless delay time of the material on the trans- verse vibration and stability of the axially moving viscoelastic plate are analyzed.     

THE STABILITY OF AN AXIALLY ACCELERATING BEAM ON SIMPLE SUPPORTS WITH TORSION SPRINGS

The axially moving beams on simple supports with torsion springs are studied. The general modal functions of the axially moving beam with constant speed have been obtained from the supporting conditions. The contribution of the spring stiffness to the natural frequencies has been numerically investigated. Transverse stability is also studied for axially moving beams on simple supports with torsion springs. The method of multiple scales is applied to the partialdifferential equation governing the transverse parametric vibration. The stability boundary is derived from the solvability condition. Instability occurs if the axial speed fluctuation frequency is close to the sum of any two natural frequencies or is two fold natural frequency of the unperturbed system. It can be concluded that the spring stiffness makes both the natural frequencies and the instability regions smaller in the axial speed fluctuation frequency-amplitude plane for given mean axial speed and bending stiffness of the beam.     

Principal parametric resonance of axially accelerating rectangular thin plate in magnetic field

Nonlinear parametric vibration and stability is investigated for an axially accelerating rectangular thin plate subjected to parametric excitations resulting from the axial time-varying tension and axial time-varying speed in the magnetic field. Consid- ering geometric nonlinearity, based on the expressions of total kinetic energy, potential energy, and electromagnetic force, the nonlinear magneto-elastic vibration equations of axially moving rectangular thin plate are derived by using the Hamilton principle. Based on displacement mode hypothesis, by using the Galerkin method, the nonlinear para- metric oscillation equation of the axially moving rectangular thin plate with four simply supported edges in the transverse magnetic field is obtained. The nonlinear principal parametric resonance amplitude-frequency equation is further derived by means of the multiple-scale method. The stability of the steady-state solution is also discussed, and the critical condition of stability is determined. As numerical examples for an axially moving rectangular thin plate, the influences of the detuning parameter, axial speed, axial tension, and magnetic induction intensity on the principal parametric resonance behavior are investigated.     

DYNAMIC STABILITY OF AXIALLY MOVING VISCOELASTIC BEAMS WITH PULSATING SPEED

IntroductionThe class of systems with axially moving materials involves power transmission chains,band saw blades and paper sheets during processing. Vibration of such systems is generallyundesirable. The traveling tensioned Euler-Bernoulli beam is the pr…     

轴向运动导电板磁弹性非线性动力学及分岔特性

研究磁场环境中轴向运动导电薄板磁弹性动力学及分岔特性。考虑几何非线性因素,在给出薄板运动的动能、应变能及外力虚功的基础上,应用哈密顿变分原理,得到磁场中轴向运动薄板的非线性磁弹性振动方程,并给出洛伦兹电磁力的确定形式。针对横向磁场环境中条形板共振特性进行分析,应用多尺度法和奇异性理论,得到稳态运动下的分岔响应方程以及普适开折对应的转迁集。通过算例,分别得到以磁感应强度、轴向运动速度和激励力为分岔控制参数的分岔图、最大李雅普诺夫指数图和庞加莱映射图等计算结果,讨论不同分岔参数对系统呈现的倍周期和混沌运动的影响。结果表明,通过相应参数的改变可实现对系统复杂动力学行为的控制。     

轴向运动导电薄板磁弹性耦合动力学理论模型

针对磁场环境中轴向运动导电薄板的动力学理论建模问题进行研究,得到较为完备的磁弹性耦合振动基本方程及相应的补充关系式。在考虑几何非线性效应下,给出薄板运动的动能、应变能以及外力虚功的表达式。应用哈密顿变分原理,推得磁场中轴向运动薄板的非线性磁弹性耦合振动方程,并得到力和位移满足的边界条件。基于麦克斯威尔电磁场方程,并考虑相应的电磁本构关系和电磁边界条件,推得任意磁场环境中轴向运动导电薄板满足的电动力学方程和所受电磁力表达式。分别针对纵向磁场环境、横向磁场环境、条形板等具体情形,给出了振动方程、电动力学方程和电磁力的简化形式。所得结果,可为此类问题的进一步求解和分析提供理论参考。     

轴向运动弦线的纵向振动及其控制

综述轴向运动弦线纵向振动及其控制问题的研究进展.多种工程 系统如动力传送带、磁带、纸带、纺织纤维、带锯、空中缆车索道等均 涉及轴向运动弦线的纵向振动.对线性模型而言,除早期结果外,总结了 运动弦线的模态分析、具有复杂约束和耦合的运动弦线振动和运动弦线 参数振动的近期研究.对非线性模型而言,提出了轴向运动弦线大幅纵向 振动的运动微分方程,概述了离散化和直接近似解析分析、用黏弹性材 料模型化阻尼机制和动力传输系统的耦合振动研究的新进展.讨论了轴 向运动弦线振动主动控制的研究现状,包括能控性和能观性,控制分析的 频域方法和能量方法,振动的自适应控制和非线性振动的控制.最后指出 该研究方向今后需要研究的若干重要问题,包括运动弦线的非线性动力学 行为、黏弹性运动弦线的振动、含运动弦线的混杂系统的控制和轴向运 动弦线非线性振动的控制.