移动集中质量作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率分析

研究了移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁振动频率的变化规律。首先根据Euler-Bernoulli梁振动的控制方程,引入载荷和位移边界条件,建立梁单元的动力刚度矩阵和形状函数矩阵,然后采用傅里叶变换的思想,建立移动载荷惯性力引起的附加动力刚度矩阵,进而得到系统整体的动力刚度矩阵。通过Wittrick-Williams法进行求解得到移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率,与有限元法计算结果的比较,验证了此方法的正确性,体现了此方法在精度和计算规模上的优势。根据上述方法,揭示简支梁和悬臂梁振动频率随着移动质量速度与质量的变化规律。     

FREE VIBRATION OF A SIMPLY SUPPORTED BEAM UNDER A NON-CONSERVATIVE DISTRIBUTED LOAD

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

轴向运动SMA层合梁的主共振分析

研究了均布横向载荷作用下轴向运动SMA(形状记忆合金)层合梁的横向非线性振动。考虑轴向运动效应、轴力等因素的综合影响,利用力平衡条件、变形协调方程及SMA多项式函数的本构关系,建立了SMA层合梁在均布横向载荷作用下的动力学方程。针对两端简支边界条件,通过伽辽金积分得到了轴向运动SMA层合梁横向振动微分方程。应用平均法得到了横向载荷作用下系统主共振幅频响应方程,对理论结果进行了数值验证;分析了轴向运动速度、温度、激励参数对系统稳态响应的影响。结果表明:轴向速度、轴向载荷的变化只对系统共振频率产生影响;在外激励幅值较大时,温度增加和SMA层增厚对系统产生了相同的减振效果。     

人行荷载下梁式结构振动分析的DQ-IQ混合法

为了评估人行荷载作用下梁式结构的振动舒适度，利用微分求积-积分求积，即DQ-IQ混合法求解移动荷载作用下梁的振动响应。人行荷载作用下梁式结构的振动控制方程是含Dirac函数的偏微分方程，首先利用IQ法离散与时间相关的Dirac函数，再利用DQ法把控制方程转化为二阶常系数微分方程，最后利用Newmark算法求解微分方程。以某钢结构连廊为例，利用DQ法计算结构自振频率并与解析解进行对比，结果验证了节点选取和边界条件施加的合理性，再利用DQ-IQ混合法和振型叠加法分别计算了不同行走步频下连廊的响应，计算结果表明，DQ-IQ混合法具有较高的可靠性和精确性。DQ-IQ混合法也可以推广到诸如车辆荷载作用下路面或桥梁的动力响应等其他移动荷载下结构的振动分析。     

人行荷载下梁式结构振动分析的DQ-IQ混合法

为了评估人行荷载作用下梁式结构的振动舒适度,利用微分求积-积分求积,即DQ-IQ混合法求解移动荷载作用下梁的振动响应。人行荷载作用下梁式结构的振动控制方程是含Dirac函数的偏微分方程,首先利用IQ法离散与时间相关的Dirac函数,再利用DQ法把控制方程转化为二阶常系数微分方程,最后利用Newmark算法求解微分方程。以某钢结构连廊为例,利用DQ法计算结构自振频率并与解析解进行对比,结果验证了节点选取和边界条件施加的合理性,再利用DQ-IQ混合法和振型叠加法分别计算了不同行走步频下连廊的响应,计算结果表明,DQ-IQ混合法具有较高的可靠性和精确性。DQ-IQ混合法也可以推广到诸如车辆荷载作用下路面或桥梁的动力响应等其他移动荷载下结构的振动分析。     

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.      

基于改进三阶剪切梁理论和偶应力理论的梁运动方程

基于改进三阶剪切梁理论和采用偶应力理论考虑梁微元体刚体转动的动能,用哈密顿原理推导了矩形截面梁横向振动的变分一致运动方程.所得运动方程是以梁挠度和横截面的平均转角为基本变量的六阶偏微分方程,并且含有一个材料/结构内禀尺度.通过考虑极限条件下(波长趋于零时)的相速度极值,利用参数匹配法求得梁在横向振动时的内禀尺度.求解了无限长梁的振动波长趋于梁高度时的相速度,所得结果与弹性力学解吻合.计算结果表明,当梁的振动波长趋于梁高度时,偶应力对梁的横向振动频率有较大的影响.同时采用改进三阶剪切梁理论和拟协调元法推导了考虑偶应力效应的两节点梁单元,和求解了不同边界条件下梁的高阶频率.与文献结果对比表明,论文所给梁单元不仅精算效率高,且计算准确.     

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.      

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.     

预应力混凝土梁桥在移动荷载作用下的动力响应分析

建立预应力钢筋混凝土等直梁强迫振动的运动微分方程,分析了梁在预应力钢筋作用下的横向振动问题.将运动微分方程解耦,得到梁在预应力作用下自振频率的解析解以及梁振动时的动力响应.分析了梁的自振频率与预应力和偏心距的关系.通过实例计算,得到了关于不同速度移动荷载车辆作用下梁的动力挠度曲线,并给出了考虑预应力和不考虑预应力时梁的动力效应比较.结果表明:随着车辆荷载移动速度的增大,梁的动力挠度随之增大;考虑预应力时梁的动力效应略有降低.     

Modeling of system dynamics of a slewing flexible beam with moving payload pendulum

When a tower crane is handling payload via rotation and moving the carriage simultaneously the jib structure and the payload can be modeled as a system consisting of a slewing flexible clamed-free beam with the spherical payload pendulum that moves along the beam. The present work completes the dynamic modeling of the system mentioned above. The clamed-free beam attached to a rotating hub is modeled by Euler–Bernoulli beam theory. The payload is modeled as a sphere pendulum of point mass attached to via massless inextensible cable the carriage moving on the rotating beam. Non-linear coupled equations of motion of the in- and out-of-plane of the beam and the payload pendulum are derived by means of the Hamilton principle. Some remarks are made on the equations of motion.     

航天器挠性梁伸展动力学特性数值分析

利用动量矩定理推导出滞挠性伸展梁航天器的姿态动力学方程,推导了梁质量微元的动力学方程,在梁等速伸展的情况下对动力学方程进行变换,通过Runge-Kutta积分法得出了数值解,结果表明：梁等速伸展时,其振动的振幅随其长度的增长而增大;随航天器初始姿态角速率的增大而增大;随伸展速率的增大而减小,航天器姿态角速率随梁伸展长度的增长而减小。     

Dynamics of a Flexible Cantilever Beam Carrying a Moving Mass

The motion of a flexible cantilever beam carrying a moving spring-mass system is investigated. The beam is assumed to be an Euler–Bernouli beam. The motion of the system is described by a set of two nonlinear coupled partial differential equations where the coupling terms have to be evaluated at the position of the mass. The nonlinearities arise due to the coupling between the mass and the beam. Due to the nonlinearities the system exhibits internal resonance which is investigated in this work. The equations of motion are solved numerically using the Rayleigh–Ritz method and an automatic ODE solver. An approximate solution using the perturbation method of multiple scales is also obtained.     

考虑温度效应的索梁面内动力学建模及特性分析

根据增量热场理论,温度变化影响下索梁结构会形成新的热应力平衡状态．因此基于已有的索梁结构非线性动力学模型,结合与斜拉索张拉力和垂度相关的无量纲参数,重新建立考虑温度变化影响下索梁结构面内振动的动力学模型,并推导其面内非线性运动方程．接着开展特征值分析,得到包含温度效应的索梁结构面内振动频率的超越方程及模态振型函数．通过算例研究温度变化对不同刚度比的索梁结构影响,得到其前四阶面内振动的模态频率与温度变化的关系曲线．研究结果表明：面内模态频率受温度变化影响明显,其影响程度与刚度比大小和模态的阶数密切相关,温度变化对低阶模态频率的影响比对高阶模态频率影响更为复杂;升温和降温对索梁结构面内振动特性的影响不对称;此外温度变化会导致频率偏转点的位置发生漂移．     

粘弹性轴向运动梁的非线性动力学行为

本文研究了带有小脉动的轴向运动粘弹性梁的分岔及混沌现象。建立了系统的动力学模型。通过二阶Galerkin截断，把描述系统运动的偏微分方程离散化。利用数值方法分别分析了几种运动脉动频率时，梁随轴向运动脉动幅值，平均速度及粘弹性系数等几个参数变化时的运动分岔行为。利用Lyapunov指数识别系统的动力学行为，区分准周期振动和混沌运动。     

运动柔性梁振动主动控制的有限段法分析

基于柔性梁的多刚性－弹簧系统模型，采用分段线性化的思想，由线性二次优化理论导出了有闭环反馈控制的以分段压电片为执行器的平面运动柔性杆梁结构非线性振动的主动控制的分析方法。两个算例验证了所提方法的有效性。     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

Dynamic stiffness method for free vibration of an axially moving beam with generalized boundary conditions

Axially moving beams are often discussed with several classic boundary conditions, such as simply-supported ends, fixed ends, and free ends. Here, axially moving beams with generalized boundary conditions are discussed for the first time. The beam is supported by torsional springs and vertical springs at both ends. By modifying the stiffness of the springs, generalized boundaries can replace those classical boundaries.Dynamic stiffness matrices are, respectively, established for axially moving Timoshenko beams and Euler-Bernoulli(EB) beams with generalized boundaries. In order to verify the applicability of the EB model, the natural frequencies of the axially moving Timoshenko beam and EB beam are compared. Furthermore, the effects of constrained spring stiffness on the vibration frequencies of the axially moving beam are studied. Interestingly, it can be found that the critical speed of the axially moving beam does not change with the vertical spring stiffness. In addition, both the moving speed and elastic boundaries make the Timoshenko beam theory more needed. The validity of the dynamic stiffness method is demonstrated by using numerical simulation.     

随机激励下柔性智能梁结构振动的模糊自适应控制

对柔性智能梁结构提出了一种具有结构和参数学习能力的模糊神经网络控制方法,该法摒弃了常规的以BP算法来优化整个网络参数的作法,利用遗传算法对网络全局性参数进行离线优化,利用BP学习算法对网络局部性参数进行在线调节。以柔性智能悬臂梁为例,实现了对其在随机激励下的振动控制。仿真结果表明,模糊神经网络控制算法对智能结构的振动控制具有一定的鲁棒性和自适应性。