矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型．研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响．通过仿真算例与另两种不同建模理论（传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型）作了对比．随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势．对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多．此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大．     

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形,且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项,即非线性耦合变形项,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

刚柔耦合建模理论的实验验证

传统的混合坐标建模理论是零次近似方法，对刚柔耦合问题的描述存在缺陷，研究以一个由中心刚体，柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统对象，建立了精确的一次近似的刚柔耦合动力学方程，在该模型中计及了结构阻尼及风阻的影响，利用单轴气浮台动力学实验平台，通过与实验数据的比较，说明了传统零次近似方法在某些条件下已不能下确描述柔性的刚性正确性和可靠性。     

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.     

考虑附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性研究

对有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性进行了研究。柔性梁为等截面的Euler Bernoulli梁,针对柔性梁变形场使用假设模态法进行了离散,并运用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程后,采用Matlab编制了动力学仿真软件。首先讨论了附加质量对系统的固有频率与振型的影响,其次讨论了在大范围运动已知和未知的条件下,不同位置附加质量的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性,对带有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的中心刚体转角、梁末端位移响应以及中心刚体角速度的仿真结果进行了分析。结果表明:附加质量从柔性梁固定端向自由端移动时,柔性梁前五阶固有频率近似地呈现周期性变化;附加质量所处位置的不同,对于系统的刚柔耦合动力学响应以及系统振型的影响十分明显。     

中心刚体-柔性梁耦合系统离散模型的研究

采用数值仿真对由中心刚体、柔性梁组成的刚-柔耦合系统的动力学离散模型进行了研究.考虑到刚柔-耦合系统的控制方程没有精确解析解,只能寻求数值解,最广泛使用的离散方法是有限元,但其广义坐标数目过于庞大,因此本文探讨了采用经典结构动力学中不同边界的模态函数离散动边界下刚柔耦合动力学方程的可行性及各自的优劣,得到刚柔耦合系统的模态缩减规律.     

中心刚体-变截面梁系统的动力学特性研究

对在平面内做大范围转动的中心刚体-变截面梁系统的动力学进行了研究.考虑柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形, 且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项, 即非线性耦合变形项. 采用假设模态法描述变形, 运用第二类Lagrange方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 在此基础上对做大范围旋转运动的中心刚体-楔形梁以及中心刚体-梯形梁模型的动力学进行了详细研究. 研究表明: 梁宽比、梁高比以及梯形梁变截面位置都对系统的动力学特性有很大影响.      

刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量，是一种零次近似方法，其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性粱及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象，考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性粱的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形，并采用有限元方法和Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性粱的弹性变形运动的相互耦合，并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例，进一步说明了零次近似方法在处理某些刚一柔耦合动力学问题时的缺陷，同时表明了由一次近似模型可得到正确合理的结论。     

电学开路挠曲电悬臂梁自振频率分析

挠曲电效应是一种新兴的机电耦合效应,在微纳米尺度的传感器、致动器和俘能器方面有广阔的应用前景．本文基于挠曲电材料的变分原理和电吉布斯自由能,推导了表面覆盖电极的挠曲电悬臂梁在电学开路条件下的机电耦合动力学控制方程和相应的力电边界条件．进一步获得了求解电学开路条件下挠曲电悬臂梁自振频率的超越方程．以聚偏氟乙烯(PVDF)材料为算例,讨论了挠曲电系数、末端质量块和梁尺寸对结构自振频率和电学开路/短路条件下结构自振频率有效频移的影响．计算结果表明,挠曲电系数的增大会提高梁的自振频率;末端质量的增大可以降低梁的自振频率,并且末端质量块的转动效应对悬臂梁自振频率的影响很小;悬臂梁结构的有效频移随着结构尺寸减小而增加,并在某一厚度尺寸趋于饱和值．     

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。     

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.     

旋转悬臂梁的刚柔耦合动力学建模与频率分析

对固结于转动刚体上外接柔性梁的刚柔耦合动力学建模和频率特性进行了研究,在精确描述柔性梁非线性变形的基础上,利用Hamilton变分原理和假设模态法,在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形二阶耦合量的条件下,推导出考虑"动力刚化"项的一次近似耦合模型。首先忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量,对简化模型做无量纲化处理,分析梁固有频率对模态截断数的依赖性;其次研究在一次近似简化模型和零次近似简化模型下,调谐角速度与共振现象的关系;最后分析一次近似耦合模型的动力特性。研究发现,为保证计算的精度,模态截断数应随无量纲角速度的增大而增加,合理的模态截断数具有收敛值;一次近似简化模型下悬臂梁横向弯曲振动不存在共振调谐角速度,一次耦合模型下柔性梁并没有出现屈曲失稳现象。现有典型文献的相关结论是值得商榷的。     

Influence of size effect and elastic boundary condition on the pull-in instability of nano-scale cantilever beams immersed in liquid electrolytes

In this study, the static pull-in instability of nanocantilever beams immersed in a liquid electrolyte is theoretically investigated. In modeling the nanocantilever beam, the effects of van der Waals forces, elastic boundary condition and size dependency are considered. The modified couple stress theory, containing material length scale parameter, is used to interpret the size effect which appears in micro/nanoscale structures. The modified Adomian decomposition (MAD) method is used to gain an approximate analytical expression for the critical pull-in parameters which are essential for the design of micro/nanoactuators. The results show that the beam can deflect upward or downward, based on the values of the non-dimensional parameters. It is found that the size effect greatly influences the beam deflection and is more noticeable for small thicknesses. Neglecting size effect overestimates the deflection of the nanobeam. The findings reveal that the increase of ion concentration increases the pull-in voltage but decreases the pull-in deflection. Furthermore, an increase in ion concentration increases the influence of size-dependent effect on pull-in voltage.     

带裂纹旋转柔性梁系统的刚柔耦合动力学研究

对具有刚柔耦合效应的带裂纹旋转柔性梁进行建模和动力学特性分析研究。采用晶格弹簧离散模型,利用无质量弹簧模拟梁上裂纹,通过考虑梁变形的二阶耦合项建立了带裂纹旋转柔性梁系统的一次近似耦合动力学控制方程。数值计算结果表明,裂纹的存在会使旋转柔性梁的固有频率降低,并且随着梁转速的增大,这种降低效应呈减弱趋势;值得注意的是,裂纹梁的固有频率与裂纹处的弯矩具有正相关关系。此外,裂纹的存在不仅会使转速变化阶段梁的末端位移响应增大,还会对转速稳定后梁的末端振荡产生显著的影响。     

计及剪切变形的Timoshenko梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的Timoshenko梁的刚-柔耦合动力学问题。从力学的基本原理出发,基于Timoshenko梁假设,用虚功原理建立了带中心刚体的柔性梁的刚-柔耦合动力学方程。仿真计算结果表明,随着梁的惯量矩和横截面积比逐渐增大,剪切变形对梁的刚-柔耦合动力学性态产生了一定的影响。此外,本文还对不计剪切变形的Euler-Bernoulli梁假设的适用性进行了研究。     

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.