平动弹性梁的刚-柔耦合动力学

本文建立了作大范围平动弹性梁的刚-柔耦合动力学控制方程。分析了大范围平动对弹性梁变形运动动力学性质的影响，发现了大范围平动与变形运动之间的耦合动力学与大范围转动与变形运动之间的耦合动力学存在显著的差异。大范围平动使弹性梁的刚度降低，同时使系统阻尼增加；而大范围转动使弹性梁的刚度增加，同时使系统产生了能量转换的陀螺效应。因此，柔性多体系统刚-柔耦合动力建模中必须包括大范围平动与柔性体变形运动之间的耦合动力学效应。     

阶跃载荷作用下弹塑性悬臂梁的变形机制与能量耗散

基于大挠度动力控制方程,应用有限差分离散求解,研究了阶跃载荷作用下弹塑性悬臂梁的动力行为。通过对动力响应早期内力、变形以及能量分布规律的分析,考察了悬臂梁的弹塑性响应模式和变形机制,并与已有的刚塑性分析进行了系统的比较。数值计算表明,阶跃载荷的不同幅值使得梁的响应模式存在较大差异,弹塑性分析肯定了刚塑性理论在处理中载情形的准确性,同时也指出了其在处理低载和高载情形时的缺陷。通过与小变形理论计算结果的比较,指出了考虑大变形效应的必要性,为今后的大变形刚塑性动力分析提出了建议。     

弹性撞击作用下弯扭耦合梁的动力响应

对于质量块以一定初速度撞击悬臂梁端部问题,基于弯扭耦合Timoshenko梁模型,把质量块与悬臂梁作为一个整体振动,动力响应以Duhamel积分表示,使用模态叠加法给出动力响应与撞击力的结果.对于悬臂梁受质量块撞击的算例,分别分析了弯扭耦合梁、弯扭耦合系数很小的梁和各向同性Timoshenko梁,对比讨论了撞击力结果.     

端部受斜撞击作用悬臂梁的弹塑性动力响应模式

基于大变形动力控制方程并利用有限差分离散分析,研究了斜撞击作用下弹塑性悬臂梁的动力响应．通过对屈服函数以及弯矩、轴力在动力响应过程中分布规律的分析,阐明了斜撞击下恳臂梁的弹塑性动力响应模式和斜撞击的轴向分量对变形机制的影响．研究表明,弹塑性响应过程可划分为四个阶段,对应的变形模式为：“压缩塑性区扩展”模式,“广义移行塑性铰”和“压缩塑性区收缩”混合模式,“驻定塑性铰”模式,“弹性自由振动”模式．与刚塑性分析所假定的两相变形模式比较,弹塑性应响分析证实了响应早期的瞬态轴向压缩模式和梁根部“驻定塑性铰”模式的存在性,肯定了刚塑性分析所假定变形模式的主要特征．斜撞击的轴向分量在撞击发生的瞬时主导了梁的变形,使梁呈现同承受横向冲击明显小同的变形规律．随着响应的深入,轴向分量迅速衰减,其对截面屈服的贡献非常微弱,由横向分量引起的弯曲挠动在大部分时间内主导和控制梁的变形．数值计算结果表明,斜撞击载荷的质量、撞击速度和角度是影响梁动力响应的重要因素．     

作大范围运动弹性梁刚—柔耦合动力学建模

利用弹性梁的变形理论和 Hamilton力学原理对作大范围运动弹性梁的刚 -柔耦合动力学建模理论进行了研究。分析了大范围运动对弹性梁的横向振动和纵向振动的影响 ,得到了大范围运动与弹性梁的中线耦合变形之间的耦合作用对该系统动力学性质有显著的影响 ,从而提出了作大范围运动弹性梁的刚柔耦合动力学模型     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。     

杆系结构的几何非线性分析──Ⅰ．平面问题

本文以三维连续体的虚功增量方程为基础，采用平动、转角位移分别插值的方法，导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的ＵＬ法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应，提出了新的几何刚度矩阵。算例表明，依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力；在满足本文位移假定（即每次加载增量中转角增量是小量）的条件下，可以描述任意大角度的刚体转动。     

弹塑性悬臂梁结构动力响应中的弹性效应

本文提出由一组质量－弹簧构成的力学系统来研究弹塑性悬臂梁的动力响应问题，其数值结果与有限元解吻合得相当好，这种简化模型能够反映出梁动力响应中的本质特性，还特别显示出梁中弹性对弯矩分布和能量耗散的影响，提供了很有价值的计算结果．     

纺织物下垂变形数值计算

利用共旋技术提出了一个高柔性梁（布条）大位移大转动计算模型,通过把纺织物沿经向和纬向离散成许多布条,建立了纺织物下垂变形模型,模型仅使用了点平移自由度而没有使用转动自由度,并采用了一种单元应变能积分格式,模型考虑了纺织物面内拉伸、面内剪切以及弯曲;提出了一种控制单步全Newton-Raphson迭代格式步长的方法来确保得到控制方程组的收敛解。数值算例表明模型能够较精确地预测纺织物的最终下垂形状。     

中心刚体-旋转悬臂板耦合系统碰摩动力特性解析法研究

针对大型旋转机械叶片与机壳间发生的碰摩故障,建立了中心刚体-旋转悬臂板耦合系统碰摩动力学模型,考虑了离心刚化效应,利用Hamilton原理推导出运动微分方程。基于实验和有限元分析碰摩力的结果,给出了碰摩力的近似数学表达式,得到了系统振动响应解析解,通过与文献中实验结果的对比,验证了模型及方法的准确性,讨论了叶片梁模型和薄板模型在不同点碰摩及线碰摩情况下各自的适用范围,分析了转速对碰摩动力响应的影响。结果表明：论文解析解具有较高精度;薄板模型能够更全面地反映叶片各种不同碰摩情况下的动力特性,比梁模型更准确、可靠;随着转速的增大,碰摩力导致薄板自由端幅值突变,这是引发工程中叶片掉角,甚至折断的重要原因。     

耦合变形对大范围运动柔性梁动力学建模的影响

柔性梁在作大范围空间运动时,产生弯曲和扭转变形,这些变形的相互耦合形成了梁在纵向以及横向位移的二次耦合变量。本文考虑了变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响,在其三个方向的变形中均考虑了二次耦合变量,利用弹性旋转矩阵建立了准确的几何非线性变形方程,通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。仿真结果表明,在大范围运动情况下,仅在纵向变形中计及了变形二次耦合量的一次动力学模型,与考虑了完全几何非线性变形的模型具有一定的差异。     

KINETICS ANALYSIS OF NON-SMOOTH VIBRATION-DRIVEN SYSTEM WITH THREE-PHASE CONTROL 1)

可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.     

三相驱动下非光滑振动驱动系统的动力学分析

可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.      

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．     

Series solution for large deflections of a cantilever beam with variable flexural rigidity

In this paper large deflection and rotation of a nonlinear Bernoulli-Euler beam with variable flexural rigidity and subjected to a static co-planar follower loading is studied. It is assumed that the angle of inclination of the force with respect to the deformed axis of the beam remains unchanged during deformation. The governing equation of this problem is solved analytically for the first time using a new kind of analytical technique for nonlinear problems, namely the Homotopy Analysis Method (HAM). The present solution can be used for the analysis of a wide range of loads, material/cross section properties and lengths for beams undergoing large deformations. The results obtained from HAM are compared with results reported in previous works. Finally, the load–displacement characteristics of a uniform cantilever beam with different material properties under a follower force applied normal to the deformed beam axis are presented.     

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.     

Damage precursor detection for structures subjected to rotational base vibration

This paper presents a nonlinear dynamic methodology for monitoring precursors of fatigue damage in metallic structures under variable rotational base excitation. The methodology accounts for important nonlinearities due to the complex loading generated by variable rotation and structural degradation. The sources of the nonlinearities include: structural stiffening due to gyroscopic motion and high-response amplitude at the fundamental mode, softening due to inertial forces and gyroscopic loads, and localized microscopic material damage and micro-plasticity. The loading intensity and number of vibration cycles increase the influence of these effects. The change in the dynamic response due to fatigue damage accumulation is experimentally investigated by exciting a cantilever beam at variable rotational base motions. The observed fatigue evolution in the material microstructure at regions of large stresses (and the resulting progressive structural softening) is tracked by quantifying the growth in the tip response, the change in the fundamental natural frequency of the beam and the skewedness of the stepped-sine response curve. Previous understanding of the structural dynamic behavior is necessary to ascertain the damage precursor location and evolution. Nanoindentation studies near the beam clamped boundary are conducted to confirm the gradual progression in the local mechanical properties as a function of loading cycles, and microstructural studies are conducted to obtain qualitative preliminary insights into the microstructure evolution. This study demonstrates that careful monitoring of the nonlinearities in the structural dynamic response can be a sensitive parameter for detection of damage precursors.