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.      

含轴向运动效应的裂纹梁横向振动频率研究

针对含轴向运动效应开口裂纹梁,借助裂纹梁连续等效刚度模型,将裂纹效应引入轴向运动梁的横向振动方程.应用传递矩阵法推导了求解其振动频率的特征方程,计算得到裂纹和运动参数连续变化情况下梁的一阶和二阶固有频率数值解.对裂纹和轴向运动参数对梁的振动频率的联合影响机理进行了分析,研究表明,对于梁的一阶和二阶固有频率,轴向运动速度和裂纹深度具有耦合作用效应.裂纹加深使得由轴向速度带来的频率衰减加速;同时,速度提升导致由裂纹引起的频率衰减变得更加剧烈.相较于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率表现得更加显著.     

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.     

多用途输液立管涡激振动实验研究与疲劳分析

为研究输运不同流体的海洋立管在海流作用下的振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验分别将四种不同质量比的立管模型竖直固定于支架上,立管外部承受不同速度的流体作用,上端施加顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换对实验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。考察输运不同流体对立管自振频率以及涡激振动响应的影响,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。实验结果表明,随质量比增加立管涡激振动频率降低;低质量比的立管更容易产生大位移。     

轴向变速运动正交各向异性板的动态稳定性

研究面内载荷作用下轴向变速运动正交各向异性薄板的横向振动及其稳定性。利用Galerkin法与平均法,在激励频率为2倍固有频率或为两阶固有频率之和附近时得到自治的常微分方程组;在参数激励频率和激励振幅平面上,分析由共振引发的失稳区域。数值算例验证了面内载荷、轴向速度、加速度参数对失稳区域的影响。     

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。     

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳，对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理，建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程，获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法，将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明，后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式，获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外，轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

剪切流场中含内流立管横向涡激振动特性

立管是海洋工程中输送油气或其他矿产资源的必备结构, 外部洋流引起的立管涡激振动影响着立管的疲劳寿命, 危害深海资源开发. 本文基于欧拉?伯努利梁方程, 结合半经验时域水动力模型, 建立剪切流与内流耦合作用下海洋立管涡激振动预报模型, 运用有限元方法和Newmark-β逐步积分法求解方程, 首先将数值模拟结果与实验数据进行对比, 验证模型正确性. 然后, 运用此模型, 对剪切流作用下含内流的顶张立管在不同内流速度和密度下的横向涡激振动响应特性进行研究, 主要分析了立管的横向振动模态、振动频率以及均方根位移等涡激振动参数随内流速度和密度等参数的变化规律. 结果表明, 在剪切流场中, 含内流海洋立管在横向上表现出多模态多频率的涡激振动;立管横向振动的最大均方根位移随内流速度和密度的增大而增大, 特别是当内流速度较大时, 横向最大均方根位移增大明显;立管横向振动的主导频率随内流速度和密度的增大而减小, 并且内流密度的增大同样会引起模态转换和频率转换.      

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.     

轴向运动弦线横向振动的频域分析

轴向运动弦线是多种工程系统的模型。为明确轴向运动横向振动的频域特性，及探索频域方法的应用特点．本文用频域方法分析轴向运动弦线的横向振动。基于轴向运动弦线横向振动方程和边界条件．通过Laplace变换导出频率域中的控制方程，并将该控制方程和边界条件用状态变量表示。由状态空间中的控制方程导出特征方程，从而求出固有频率。由轴向运动弦线的矩阵函数计算得到系统的传递函数，然后用留数定理计算传递函数的Laplace逆变换．这样就可以得到时域响应。最后分析了轴向运动弦线的横向共振，若简谐外激励的频率与系统固有频率相同，系统响应将随时间无限增加。     

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...     

气体钻井钻柱气固耦合横向振动的数学建模与求解

建立了考虑气体钻井液对钻柱内外耦合影响时的钻柱横向振动模型,包含了钻柱轴力、钻柱内注入压力、环空压力以及钻柱内气体对钻柱振动的影响;求解了钻柱振动方程,并分析了钻柱横向振动固有频率。研究表明注入物质的流动速度对钻柱的横向振动固有频率影响很大,流动速度达到一定程度时对钻柱的稳定性有较大影响,可能诱发钻柱弯曲失稳。     

运动车辆横向振动半车模型分析

通过半车模型, 数值研究平滑路面上运动车辆车体的前两阶横向振动频率. 将车体模型化为两端自由的Euler-Bernoulli梁, 半车模型的车轮模型化为两个弹性不等的弹簧. 建立半车模型的数学模型描述车体的横向振动. 以两端自由的静态梁的模态为试函数和权函数, 通过高阶Galerkin截断计算车体横向振动的频率, 并研究车辆运行速度、车体刚度、弹簧刚度等参数对车体振动频率的影响.     

单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场

运用金属材料表面纳米化试验机对单个弹丸撞击316L不锈钢表面进行了撞击实验;采用激光共聚焦显微镜观察了弹坑的三维形貌,测量不同振动频率下弹坑的直径及离面位移;采用云纹干涉法对弹坑周围的面内应变场进行测量,并分析振动频率及撞击方式对弹坑尺寸、塑性应变大小以及塑性应变区范围的影响;采用有限元方法对单个弹丸垂直撞击试件表面的应变场进行数值模拟,与实验结果进行比较,分析了弹坑周围残余应力的分布。结果表明:随振动频率的增加,弹坑直径和离面位移都增加,频率在50~55Hz,弹坑直径有突变,离面位移和振动频率呈线性关系;振动频率越大,塑性应变越大,塑性应变分布范围均大于弹坑直径的2倍;同一振动频率下弹丸垂直撞击比倾斜撞击的塑性应变大,而塑性应变分布范围相差不大;面内残余应变场的数值模拟结果和实验结果吻合较好,最大误差小于10%。     

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．     

折射式激光多普勒测速系统

为了测量透明物体横向运动时的位移速度,提出了一套基于激光外差干涉技术的折射式激光多普勒测速系统,并对该系统所采用的多普勒效应测速方法进行了研究。首先,通过外差干涉系统使测量光与参考光发生干涉,利用信号探测系统探测它们合光束光强变化波形。然后,使用信号分析软件分析此波形,得到合光束的拍频,即测量光与参考光的频率之差。最终,利用此拍频值进行理论计算,求出垂直于探测光方向匀速运动时三棱镜样品的位移速度,并分析了整个系统的测量误差。实验结果表明,对20μm/s、80μm/s、140μm/s、200μm/s等给定的位移速度,该系统的速度测量误差不超过1.5%。测量结果具有良好的可重复性,证实了该系统的有效性与可靠性。实验系统原理简单,输出信号信噪比较高,测量精度高,具有广泛的适用性。     

两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究

针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺栓连接形式,基于有限元静刚度计算、动力学简化建模、冲击响应特性分析及结构冲击试验,系统研究了两种连接形式的轴向刚度特性及其对动力学冲击响应的影响.有限元静刚度分析揭示了法兰对接与径向套接的轴向拉压刚度分别是非对称的和对称的,而法兰对接的平均刚度更大.之后,为两种连接形式建立了统一的动力学模型,证明非对称的轴向拉压刚度导致结构在受到横向载荷作用时会产生附加的耦合轴向振动,并且利用高精度幂函数拟合刚度跳变,得到耦合轴向振动频率是弯曲振动频率的二倍的结论.最后,通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二倍频的耦合轴向振动,而径向套接则不存在该耦合振动.径向套接虽然一阶频率较低,但阻尼效果更好.     

大变形轴向运动梁的精确动力学模型

轴向运动梁的横向振动是具有实际工程背景的动力学问题.该文应用Cosserat弹性杆模型讨论圆截面轴向运动梁的动力学建模及其运动稳定性.以沿梁中心线的弧坐标代替方向固定的坐标轴,根据梁截面的姿态随弧坐标和时间的变化确定梁的变形过程.从欧拉的速度场概念出发,考虑梁截面转动的惯性效应和剪切变形,建立大变形轴向运动梁的动力学方程.其小变形特例为轴向运动的三维Timoshenko梁.基于该模型分析了轴向运动梁准稳态运动的静态和动态稳定性,导出可导致失稳的临界轴向速度.证明空间域内的欧拉稳定性条件是时间域内的Lyapunov稳定性的必要条件.      

低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究

建立了 L4/L5段人体腰椎关节的非线性多孔弹性单元有限元模型，并对该模型进行了轴向静力（0Hz)和低频(0.01 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz)振动作用各1小时的仿真研究，对比了在不同频率振动作用下人体脊椎组织的多孔弹性单元力学特性。结果表明：在相同振幅和时间内，与低频(0.01Hz、0.1Hz)相比，相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)作用下的椎间盘组织产生的轴向位移较大，髓核和纤维环的孔压应力均呈现逐渐上升的趋势；与此同时，髓核的有效应力逐渐增加，而纤维环的有效应力却逐渐减少；在相对较低频率(0.01Hz、0.1Hz)作用下的各项力学特性指标与静力作用下的相比，差值均在3%以下；加载时间超过600s 后，振动频率的增加更容易使椎间盘轴向位移增大；相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)振动作用下髓核和纤维环内的孔压值逐渐升高，而静力压缩和相对较低频率(0.01 Hz、0.1 Hz)振动作用下孔压值却逐渐降低；不断增加的孔压应力使椎间盘内的体液流失速率变大，导致椎间盘退化。     

高频扭转振动对钻井过程破岩特性的影响研究

为了研究高频扭转振动钻井对PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头破岩的影响,基于弹塑性力学和机械振动原理,分别建立切削齿的切削模型和岩石的振动方程,并指出了岩石的响应特点。通过岩石的应力-应变试验,得到了岩石的等效塑性应变率与岩石剥落之间的关系。依据现场试验与分析计算,研究了高频扭转振动频率对钻井机械钻速的影响。研究结果表明:当钻井扭振频率为岩石的共振频率时,岩石的塑性应变率为1.5%,钻井的机械钻速为6.3mm/s。研究方法与结论对于利用高频扭振提高破岩效率研究具有重要的应用意义。