轴向功能梯度Timoshenko变截面梁的屈曲分析

运用插值矩阵法研究了不同边界条件下轴向功能梯度材料变截面Timoshenko梁的屈曲性能问题。基于Timoshenko梁基本理论,将轴向功能梯度变截面Timoshenko梁临界荷载的计算转化为一组变系数常微分方程特征值问题,然后运用插值矩阵法可一次性地计算出轴向功能梯度变截面梁在不同边界条件下的屈曲临界荷载。当区间划分点数n为80时,在不同的边界条件下均质材料等截面Timoshenko梁量纲为一的临界荷载的本文计算值与解析解有7位有效数字相同,轴向功能梯度Timoshenko锥形梁量纲为一的临界荷载的本文计算值与已有文献计算结果有3~5位有效数字相同,数值计算结果表明了本文方法的有效性和较高的计算精度。同时,本文方法可获取相应的挠度模态函数,而且对于材料梯度函数和截面几何轮廓的具体形式无任何限制条件。     

弹性地基上转动FGM梁自由振动的DTM分析

基于Euler-Bernoulli梁理论,利用广义Hamilton原理推导得到弹性地基上转动功能梯度材料(FGM)梁横向自由振动的运动控制微分方程并进行无量纲化,采用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,计算了弹性地基上转动FGM梁在夹紧-夹紧、夹紧-简支和夹紧-自由三种边界条件下横向自由振动的无量纲固有频率,再将控制微分方程退化到无转动和地基时的FGM梁,计算其不同梯度指数时第一阶无量纲固有频率值,并和已有文献的FEM和Lagrange乘子法计算结果进行比较,数值完全吻合。计算结果表明,三种边界条件下FGM梁的无量纲固有频率随无量纲转速和无量纲弹性地基模量的增大而增大;在一定无量纲转速和无量纲弹性地基模量下,FGM梁的无量纲固有频率随着FGM梯度指数的增大而减小;但在夹紧-简支和夹紧-自由边界条件下,一阶无量纲固有频率几乎不变。     

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.     

质量-弹簧装置连接的双梁结构固有频率计算

双梁结构被用作一种新型的减振器来控制梁式结构的振动,在土木、机械和航空航天等工程中受到广泛应用。本文研究了两个平行的轴向功能梯度梁相互连接的双梁结构固有频率的计算问题,在这种双梁结构中,梁的端部受到平移和旋转两种弹性约束,同时,双梁结构通过质量-弹簧装置相互连接。基于Euler-Bernoulli梁的基本理论,将非经典边界条件下双梁结构自由振动固有频率的计算转化为一组常微分方程特征值问题,运用插值矩阵法可一次性计算出双梁结构的所有固有频率。数值算例表明,本文双梁结构量纲为一的固有频率的计算值与已有文献计算结果吻合良好。研究了弹簧刚度、质量系数和梯度参数对双梁系统的影响。数值计算结果表明,随着梯度系数?和悬挂物块的质量系数?的增大,第1阶固有频率?1逐渐减小。     

变截面梁横向振动固有频率数值计算

根据边界条件对变截面梁横向振动四阶变系数微分方程降阶, 形成关于挠度和弯矩的二 阶非显式递推变系数微分方程组; 利用有限差分法, 研究了变截面简支梁横向振动固有频率 的数值计算方法及其精度. 理论分析和正交计算的算例表明: 数值计算算法简单, 计算精度 取决于计算步长的数目和梁横截面竖向渐变率, 与梁宽和梁长无关; 对于给定的计算步长或 数目, 可以估算数值计算的精度; 对于给定的精度要求, 可以确定合理的计算步长或数目.     

多孔功能梯度材料Timoshenko梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究多孔功能梯度材料梁(FGMs)的自由振动问题.首先,考虑多孔功能梯度材料梁的孔隙率模型,建立了两种类型的孔隙分布.其次,基于Timoshenko梁变形理论,给出位移场方程、几何方程和本构方程,利用Hamilton原理推导多孔功能梯度材料梁的自由振动控制微分方程,并进行无量纲化,然后应用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,得到含有固有频率的等价代数特征方程.最后,计算了固定-固定(C-C)、固定-简支(C-S)和简支-简支(S-S)三种不同边界下多孔功能梯度材料梁自由振动的无量纲固有频率.将其退化为均匀材料与已有文献数据结果对照,验证了正确性.讨论了孔隙率、细长比和梯度指数对多孔功能梯度材料梁无量纲固有频率的影响.     

功能梯度材料微梁的热弹性阻尼研究

基于Euler-Bernoulli梁理论和单向耦合的热传导理论,研究了功能梯度材料(functionally graded material,FGM)微梁的热弹性阻尼(thermoelastic damping,TED).假设矩形截面微梁的材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化,忽略了温度梯度在轴向的变化,建立了单向耦合的变系数一维热传导方程.热力耦合的横向自由振动微分方程由经典梁理论获得.采用分层均匀化方法将变系数的热传导方程简化为一系列在各分层内定义的常系数微分方程,利用上下表面的绝热边界条件和界面处的连续性条件获得了微梁温度场的分层解析解.将温度场代入微梁的运动方程,获得了包含热弹性阻尼的复频率,进而求得了代表热弹性阻尼的逆品质因子.在给定金属-陶瓷功能梯度材料后,通过数值计算结果定量分析了材料梯度指数、频率阶数、几何尺寸以及边界条件对TED的影响.结果表明:(1)若梁长固定不变,梁厚度小于某个数值时,改变陶瓷材料体积分数可以使得TED取得最小值;(2)固有频率阶数对TED的最大值没有影响,但是频率阶数越高对应的临界厚度越小;(3)不同的边界条件对应的TED的最大值相同,但是随着支座约束刚度增大对应的临界厚度减小;(4)TED的最大值和对应的临界厚度随着金属组分的增大而增大.     

不可压饱和多孔Timoshenko梁动力响应的数学模型

基于饱和多孔介质理论,假定孔隙流体仅沿梁的轴向运动,本文建立了横观各向同性饱和多孔弹性Timoshenko梁动力响应的一维数学模型,通过不同的简化,该模型可分别退化为饱和多孔梁的Euler-Bernoulli模型、Rayleigh模型和Shear模型等。研究了两端可渗透Timoshenko简支梁自由振动的固有频率、衰减率和阶梯载荷作用下的动力响应特征,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线,并与饱和多孔Euler-Bernoulli简支梁响应进行了比较,考察了固相与流相相互作用系数、梁长细比等的影响。可见,固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,随着作用系数的增加,梁挠度振动幅值衰减加快,并最终趋于静态响应,Euler-Bernoulli梁的挠度幅值和振动周期小于Timoshenko梁的挠度幅值和周期,而Euler-Bernoulli梁的弯矩极限值等于Timoshenko梁的弯矩极限值。     

梁在固有振动中的对偶关系

本文研究具有齐次边界的Euler-Bernoulli梁在固有振动中的对偶关系.将两种截面变化不同、但固有频率完全相同的梁定义为异截面对偶梁.通过位移描述和弯矩描述,指出具有齐次边界条件的变截面梁共有如下7类异截面对偶:一是自由-自由梁与固支-固支梁,二是滑支-自由梁与滑支-固支梁(及其镜像),三是铰支-自由梁与铰支-固支梁(及其镜像),四是铰支-滑支梁与铰支-滑支梁(及其镜像),五是滑支-滑支梁与滑支-滑支梁,六是铰支-铰支梁与铰支-铰支梁,七是固支-自由梁与自由-固支梁.在此基础上,将两种截面变化相同、固有频率也相同的梁定义为同截面对偶梁.研究表明,当且仅当梁的截面积函数和截面惯性矩函数具有特定指数函数形式时,前4类异截面对偶梁能成为同截面对偶梁.对于等截面梁,上述前3类同截面对偶仍可保持,而第4类同截面对偶退化为彼此镜像.此时,通过引入转角描述可发现等截面梁产生新对偶,即滑支-滑支梁与铰支-铰支梁对偶.上述等截面梁的对偶均具有如下特征,即对偶中的一种梁具有静定约束,另一种梁具有静不定约束.     

梁在固有振动中的对偶关系

本文研究具有齐次边界的Euler-Bernoulli梁在固有振动中的对偶关系.将两种截面变化不同、但固有频率完全相同的梁定义为异截面对偶梁.通过位移描述和弯矩描述,指出具有齐次边界条件的变截面梁共有如下7类异截面对偶:一是自由-自由梁与固支-固支梁,二是滑支-自由梁与滑支-固支梁(及其镜像),三是铰支-自由梁与铰支-固支梁(及其镜像),四是铰支-滑支梁与铰支-滑支梁(及其镜像),五是滑支-滑支梁与滑支-滑支梁,六是铰支-铰支梁与铰支-铰支梁,七是固支-自由梁与自由-固支梁.在此基础上,将两种截面变化相同、固有频率也相同的梁定义为同截面对偶梁.研究表明,当且仅当梁的截面积函数和截面惯性矩函数具有特定指数函数形式时,前4类异截面对偶梁能成为同截面对偶梁.对于等截面梁,上述前3类同截面对偶仍可保持,而第4类同截面对偶退化为彼此镜像.此时,通过引入转角描述可发现等截面梁产生新对偶,即滑支-滑支梁与铰支-铰支梁对偶.上述等截面梁的对偶均具有如下特征,即对偶中的一种梁具有静定约束,另一种梁具有静不定约束.      

轴向力作用下双层梁的振动与稳定性分析

基于Adomian修正分解法研究轴向力作用下双层梁的自由振动和稳定性.通过Euler-Bernoulli梁振动理论建立轴向力作用下、具有Winkler弹性联系的双层梁自由振动微分方程组.并通过Adomian修正分解法把该特征微分方程组转换成递归代数公式,然后利用边界条件推导得到该双层梁的固有频率及相应的振形函数解析表达式.通过与前人的计算结果比较,验证了本文方法的有效性.并讨论了双层梁的厚度比以及作用在双层梁上的轴向力之比等参数对其固有频率和稳定性的影响.     

功能梯度材料梁自由振动的线性与非线性振动

基于数值模拟和理论分析两种方法,研究了功能梯度材料(functional gradient materials,FGM)梁自由振动下的线性与非线性振动问题。通过解析法求解了FGM梁在经典理论下以及一阶剪切理论下的力学行为,得到了FGM梁在简支和固端约束下的固有频率。理论分析了不同边界条件、不同梁理论下、梯度指数、长细比等因素对于FGM梁固有频率的影响;不论经典梁理论还是一阶剪切理论,随着梯度指数的增加,FGM梁的固有频率都随之减小。通过ABAQUS仿真模拟,得到FGM梁数值模拟下的非线性固有频率。将理论解与数值解进行对比,完善力学模型。在多种理论下,利用解析法和数值模拟的方法,给出FGM梁结构振动响应的线性与非线性解。     

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.     

基于辛方法的功能梯度圆柱壳振动特性分析

基于辛方法分析了功能梯度圆柱壳的自由振动特性。从薄壳理论和功能梯度材料特性出发,得到了功能梯度圆柱壳自由振动时的拉格朗日密度函数。引入对偶变量,经哈密顿正则变换,导出了功能梯度圆柱壳自由振动的哈密顿正则方程,将问题转化为求解哈密顿矩阵的辛本征值问题,得到了两端固支和两端简支两种边界条件下功能梯度圆柱壳的量纲为一的固有频率。数值结果表明:简支和固支两种边界条件下功能梯度圆柱壳的量纲为一的固有频率随体积分数、厚径比、环向波数的变化规律基本相同,但在数值上略有差别;量纲为一的固有频率随环向波数的增大呈现先减小后增大的现象,随厚径比的增大而增大,随材料体积分数的增大而逐渐减小。     

轴向功能梯度变截面梁的自由振动研究

摘 要：本文引入一种新的、简单易行的近似方法,求解轴向非均匀变截面梁的自由振动固有频率。将位移展开成切比雪夫多项式,从而变系数控制微分方程转化为含未知系数的齐次线性方程组。利用非零解的存在条件,进而得到含固有频率的特征方程。通过和特定梯度下已有的精确解进行比较,验证了该方法的精度和有效性,并分析了梯度参数、支承条件等对固有频率的影响。     

旋转FGM圆环形截面柔性梁的振动特性

工程实际中直升机的旋翼和风力机的叶片等可简化为旋转柔性悬臂梁的动力学问题。针对旋转FGM圆环形截面柔性悬臂梁的横向振动问题,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理,建立了自由振动时的运动微分方程。对运动微分方程和边界条件进行量纲归一化处理,采用微分求积法对其进行离散化,得到了系统的广义特征方程。分析了旋转FGM圆环形截面柔性梁的前三阶量纲为一的固有频率随梯度指标和不同梯度指标、径长比下量纲为一的固有频率随轮毂量纲为一的角速度的变化关系。数值计算结果表明,在给定某些参数情况下,旋转FGM环形截面悬臂梁的前三阶量纲为一的固有频率随轮毂量纲为一的角速度的增大而增大,第二阶、第三阶量纲为一的固有频率随梯度指标的增大而增大的趋势较为明显。     

功能梯度梁与均匀梁静动态解间的相似转换

基于Euler-Bernoulli 梁理论, 研究了功能梯度材料梁的弯曲、屈曲和自由振动. 通过分析和比较功能梯度材料梁 和均匀梁的控制方程, 得到了功能梯度材料梁与均匀梁的解之间的相似转换关系. 在给定功 能梯度材料梁的材料性质在横向按幂函数分布的情况下, 导出了解之间的相似转换系数的解 析表达式. 该系数集中反映了功能梯度梁的材料非均匀性. 因此, 可将功能梯度材料梁的静 动态问题的求解转换为同样载荷和边界条件下均匀梁的静动态问题求解以及相似转换系数的 计算.     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．     

一维六方准晶层合简支梁自由振动与屈曲的精确解

伪Stroh型公式能够将多场耦合材料的控制方程转化为线性特征系统来求解,从而获得多层结构简支边界条件的精确解.本文利用伪Stroh型公式,研究一维六方准晶层合简支梁的自由振动和屈曲问题,通过传递矩阵法,获得准晶层合梁自由振动固有频率与临界屈曲载荷的精确解.通过与已有梁的剪切变形理论结果比较,验证了本文伪Stroh型公式的正确性和有效性.通过数值算例,分析由两种不同准晶材料组成的三明治层合梁的叠层方式、高跨比、层厚比及层数对梁的固有频率、临界屈曲载荷及其模态的影响规律.结果表明,叠层顺序和梁的高跨比、层厚比对准晶层合梁的自由振动固有频率和临界屈曲载荷有很大影响,可通过调整梁的几何尺寸和叠层顺序得到准晶层合梁的最佳固有频率和临界屈曲载荷.本文给出的精确解可为工程上研究准晶梁的各种数值解法和实验方法提供理论参考.     

各种边界条件平行四边形功能梯度板的动力特性解析解

本文基于斜坐标系,建立起平行四边形功能梯度板的基本微分方程及变分方程,用梁函数组合法对平行四边形及菱形功能梯度板进行动力特性分析,提出了适用于每边任取简支、固定、自由边界之一(包括36种边界)平行四边形功能梯度板固有频率与振型的解析解;在简化情况下,给出了各种边界条件平行四边形功能梯度板各阶固有频率解的统一表达式。