失谐周期结构中振动局部化问题的研究进展

周期结构在工程中有很多应用实例, 其具有频率通带和禁带等特殊力学性质. 失谐可使周期结构的力学特性产生本质变化, 即失谐周期结构中存在振动局部化现象.局部化破坏了周期结构模态的规则性, 在外激励下会使结构某些部位的响应幅值过大, 产生能量积聚, 甚至导致结构发生疲劳破坏. 因此分析失谐周期结构中振动和能量的传播方式与规律具有重要的理论与实际意义, 可以为重要子结构的振动控制和减振设计提供理论依据. 针对一维直线型周期结构、循环周期结构以及二维周期结构等, 综述了其中的振动局部化问题的研究现状,主要集中于力学模型的建立、振动局部化问题的研究内容、分析方法和主要研究结果等, 并提出了值得进一步研究的问题.      

大型离心叶轮振动模态局部化特性研究

为了研究目前工程中大型流体机械离心叶轮出现的局部疲劳破坏的机理,基于现有的有限元分析方法,结合模态分析等动力学理论以及叶轮所承受的气流激励,对其动力学特性进行了研究。着重研究了离心叶轮这类周期循环对称性结构具有的不同于非周期循环结构的特殊动力学性质以及该特殊的动力学特性与叶轮疲劳破坏的联系。研究发现其存在频率通带(passbands)、频率禁带(stopbands)现象,并出现了振动模态局部化现象。另外,叶轮的动力学特性对其周期性结构失谐特别敏感,该类失谐可来自由制造误差、材料和使用中磨损出现的不均匀等多种因素。对于协调结构,在一定条件下(如系统具有高密集模态),很小的失谐量(1%)就可使结构振动模态产生急剧变化,从而出现振动模态局部化现象。对于所研究的机组,当进口预旋器导致的流体激振频率(1166.7Hz)接近叶轮的由第12阶～18阶固有频率组成的禁带(1020.3～1054.5 Hz)时,数值分析结果显示叶片进口部位出现了振幅较大的振动,与该机组实际破坏的部位相符。研究结果表明所使用的振动模态局部化分析方法能够揭示叶轮发生疲劳破坏的原因,即是一类共振型疲劳破坏现象。     

质量周期分布对偏心旋转环状结构自由振动的影响

工程实际中,某些旋转对称设计结构由于存在制造安装误差常呈现偏心旋转状态,进而影响结构稳定性.针对该类环状周期结构,考虑其偏心运动,研究附加质量周期分布参数以及偏心率对系统固有频率与动力稳定性的影响.首先,在环状结构上建立随动坐标系,利用Hamilton原理建立动力学模型.其次,采用经典振动理论求解系统的特征值,分析不同参数组合下的模态特性和不稳定性.最后,利用数值法计算系统的动态响应,并与解析结果进行对比.结果表明,当附加质量个数与波数满足一定关系时,固有频率发生分裂;对于不同的偏心率和周期分布特征,系统在不同转速下动力性能差异较大,适当提高偏心率、选取合适的附加质量个数及大小可有效抑制不稳定性.此研究有助于分析工程实际中该类结构的动力学稳定性,为其振动控制提供借鉴.     

失谐叶片-轮盘结构系统振动局部化问题的研究进展

对近２０年来国内外关于失谐叶片－轮盘结构系统振动局部化问题研究的进展进行了较为详细的评述和讨论,文中首先说明了振动局部化问题的基本概念,然后对失谐叶片－轮盘结构系统模态局部化和动态响应局部化在分析模型、求解方法及其基本性质和规律等方面的研究进展进行了较为全面的评述,最后提出了今后应深入研究的问题．     

失谐周期结构中弹性波与振动的局部化

基于弹性波传递矩阵方法，研究了失谐周期结构中弹性波与振动的局部化问题．给出了结构中弹性波传递矩阵的一般表达式，采用奇异值分解方法，分别计算了谐和与失谐周期结构中的局部化因子，并对其进行了分析讨论．对周期结构中波传播与振动局部化的分析方法可用于结构的优化设计．     

结构参数对飞机高平尾振动模态局部化的影响

针对结构参数对高平尾布局尾翼振动横态局部化影响进行了研究。考虑到失调本身的不可预知性,在实际结构的基础上设计了质量正失调、质量负失调、刚度正失调、刚度负失调四种可能出现的失调尾翼模型。当失调量为±0.5时,通过模态分析法得到了翼梁和翼肋厚度不同的情况下结构的振动模态局部化度,并讨论了结构自身参数对不同失调原因引起的模态局部化的影响。结果表明:垂尾梁厚度的增加会提高振动模态局部化程度,而平尾梁厚度的影响与之相反,翼肋参数对模态局部化基本无影响;与前梁厚度相比,后梁厚度对结构振动模态局部化的影响较大;当垂尾后梁厚度增加到2.0mm时,0.5kε=-的失调模型的局部化度从0.342变为0.971,这种显著变化在结构设计中需引起注意;此外,结构参数对质量正失调和刚度负失调产生的模态局部化的影响强于质量负失调和刚度正失调。     

开口裂纹梁振动特性参数分析

开展仿真分析探究梁边界条件、裂纹位置、裂纹程度、梁几何尺寸对开口裂纹矩形梁振动特性的影响．采用等效刚度模型建立裂纹梁结构振动方程，并与试验比较完成验证．预报梁在简支、悬臂、固支三种边界下，在不同位置发生不同程度裂纹损伤时的固有频率．研究发现，裂纹梁固有频率特性与完好无损梁曲率模态相关．裂纹可使固有频率降低，且降低程度随损伤程度增加而愈显著．裂纹位置接近完好梁某阶曲率模态零点（无效位置）/极点时，该阶固有频率受到影响将会减弱/增强．开展悬臂裂纹梁在不同几何尺寸下曲率模态分析．研究发现，曲率模态在裂纹处发生尖角突变现象，且尖角峰值随着损伤程度的增加而增大．裂纹位置接近某阶曲率模态极点/零点时，该阶模态受裂纹影响更显著/不明显．在裂纹相对位置和损伤程度相同时，增加梁长度使裂纹处尖角峰值减小，改变梁宽度不影响曲率模态，增加梁高度可使尖角峰值增加．研究成果可为试验提供基础，为扩建数据库，探索一种在线检测方法，基于实时大数据和人工智能技术开展各项振动参数综合分析，为实现梁裂纹智能识别与定位提供依据．     

多档输电线非线性建模及面内自由振动分析

考虑边界条件和耦合连接条件,基于Hamilton变分原理,建立了多档输电线结构的精细化动力学模型。对两档输电线系统的特征值问题进行了研究;根据面内特征值方程,确定结构的模态函数,分析了垂跨比、跨度比等参数对面内固有频率的影响。研究结果表明,随着跨度比和垂度比的增大,各档之间横向振动耦合增强,模态频率会发生频率穿越现象。本文结合模态局部化因子描述体系的局部模态、整体模态、混合模态行为,输电线档间通过连续条件耦合,产生混合模态。结果表明,在Veering区和频率穿越区附近,某些频率接近相等,存在1:1内共振和2:1内共振模式。     

周期波导中弹性波局部化问题的研究

基于弹性波传递矩阵方法，对周期波导中弹性波局部化问题进行了分析研究。根据互易性原理和能量地恒定律，给出了结构弹性波传递矩阵的一般表达式。采用两种求解局部化因子的计算方法，分别计算了谐和与失谐周期波导中的局部化因子，并对其进行了分析讨论。本文对周期波导中波传播与振动局部化的分析方法和计算结果可用于结构的优化设计。     

风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法

本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量,塔筒简化为非均匀悬臂梁,建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数,如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量,便可快速求解其频率和模态,无需建立其复杂的力学模型．     

Vibration of a variable cross-section beam

Vibration of an isotropic beam which has a variable cross-section is investigated. Governing equation is reduced to an ordinary differential equation in spatial coordinate for a family of cross-section geometries with exponentially varying width. Analytical solutions of the vibration of the beam are obtained for three different types of boundary conditions associated with simply supported, clamped and free ends. Natural frequencies and mode shapes are determined for each set of boundary conditions. Results show that the non-uniformity in the cross-section influences the natural frequencies and the mode shapes. Amplitude of vibrations is increased for widening beams while it is decreased for narrowing beams.     

2010城市地质环境与可持续发展论坛（二号通知）

用峰值振幅比定义局部化度,用平尾刚度与垂尾刚度的比值定义耦合度. 基于T 尾结构的质量失调模型,从模态峰值振幅比、失调耦合比、常规摄动和近频摄动4个角度, 提出4个不同的局部化判据来预测T尾结构模态局部化的发生. 对一个T尾结构模型局部化 振动的数值分析结果表明: (1) T尾结构系统一般具有弱耦合性,小量的失调就可以使T尾 结构发生模态局部化; (2) T尾结构一旦发生模态局部化,不但使对称一弯模态和反对称一 弯模态的振型发生较大改变,而且其模态频率也将改变,模态频率的改变在失调量的正负区 间内具有唯一性; (3) 算例验证了4个模态局部化判据的可行性和有效性,为T尾结构的模 态局部化分析和设计提供了依据.     

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针对连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵,分析了在使用连续梁单元 进行结构动态特性分析中的数值问题. 基于连续梁单元的运动方程,导出了连续 Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵. 分析了影响动态刚度矩阵中双曲函 数自变量的各个独立变量及其产生的影响,并给出了初估连续梁单元合理长度的方法. 使用 单一连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵分别进行了悬臂梁频响曲线 的数值求解. 研究表明,在合理选择连续梁单元的长度时,大多数工程结构的动态特性分析 中都不会产生数值问题.     

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.      

Vibration analysis and active control of nearly periodic two-span beams with piezoelectric actuator/sensor pairs

The piezoelectric materials are used to investigate the active vibration control of ordered/disordered periodic two-span beams. The equation of motion of each sub-beam with piezoelectric patches is established based on Hamilton's principle with an assumed mode method. The velocity feedback control algorithm is used to design the controller. The free and forced vibration behaviors of the two-span beams with the piezoelectric actuators and sensors are analyzed. The vibration properties of the disordered two-span beams caused by misplacing the middle support are also researched. In addition, the effects of the length disorder degree on the vibration performances of the disordered beams are investigated. From the numerical results, it can be concluded that the disorder in the length of the periodic two-span beams will cause vibration localizations of the free and forced vibrations of the structure, and the vibration localization phenomenon will be more and more obvious when the length difference between the two sub-beams increases. Moreover, when the velocity feedback control is used, both the forced and the free vibrations will be suppressed. Meanwhile, the vibration behaviors of the two-span beam are tuned.     

Nonlinear vibrations of a sandwich piezo-beam system under piezoelectric actuation

The paper describes the use of active structures technology for deformation and nonlinear free vibrations control of a simply supported curved beam with upper and lower surface-bonded piezoelectric layers, when the curvature is a result of the electric field application. Each of the active layers behaves as a single actuator, but simultaneously the whole system may be treated as a piezoelectric composite bender. Controlled application of the voltage across piezoelectric layers leads to elongation of one layer and to shortening of another one, which results in the beam deflection. Both the Euler–Bernoulli and von Karman moderately large deformation theories are the basis for derivation of the nonlinear equations of motion. Approximate analytical solutions are found by using the Lindstedt–Poincaré method which belongs to perturbation techniques. The method makes possible to decompose the governing equations into a pair of differential equations for the static deflection and a set of differential equations for the transversal vibration of the beam. The static response of the system under the electric field is investigated initially. Then, the free vibrations of such deformed sandwich beams are studied to prove that statically pre-stressed beams have higher natural frequencies in regard to the straight ones and that this effect is stronger for the lower eigenfrequencies. The numerical analysis provides also a spectrum of the amplitude-dependent nonlinear frequencies and mode shapes for different geometrical configurations. It is demonstrated that the amplitude–frequency relation, which is of the hardening type for straight beams, may change from hard to soft for deformed beams, as it happens for the symmetric vibration modes. The hardening-type nonlinear behaviour is exhibited for the antisymmetric vibration modes, independently from the system stiffness and dimensions.

     

Coupled bending-torsion vibration of a homogeneous beam with a single delamination subjected to axial loads and static end moments

Delaminations in structures may significantly reduce the stiffness and strength of the structures and may affect their vibration characteristics. As structural components, beams have been used for various purposes, in many of which beams are often subjected to axial loads and static end moments. In the present study, an analytical solution is developed to study the coupled bending-torsion vibration of a homogeneous beam with a single delamination subjected to axial loads and static end moments. Euler–Bernoulli beam theory and the "free mode" assumption in delamination vibration are adopted. This is the first study of the influences of static end moments upon the effects of delaminations on natural frequencies, critical buckling loads and critical moments for lateral instability. The results show that the effects of delamination on reducing natural frequencies, critical buckling load and critical moment for lateral instability are aggravated by the presence of static end moment. In turn, the effects of static end moments on vibration and instability characteristics are affected by the presence of delamination. The analytical results of this study can serve as a benchmark for finite element method and other numerical solutions.     

基于等效单元概念的梁结构损伤定位方法

研究目的是为梁结构提供一种基于等效单元概念的新损伤定位方法. 区分刚度损伤和质量损伤两种情况, 分别对连续梁和简支梁给出了具体的损伤定位方法. 利 用的具体指标是支座反力和跨中位移. 文中的新方法都可以得到以小区间表示的损伤位置结 果, 有效性得到了数值模拟算例和模型实验的验证.     

含压电材料智能结构动态特性的研究

本文推导了含压电材料智能结构有限元动力方程,讨论了智能结构系统的动态特性,得到了模态形状和相应的模态电压以及考察了具有分布的压电传感器和执行器的四边简支方板的各阶固有频率随以馈增益的变化规律,这些结果将在智能结构控制的优化设计中起到了很大的作用。     

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...