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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.     

变截面Timoshenko梁动力反应的半解析法

为研究移动荷载下截面剪切变形和转动惯量影响,在推导变截面Timoshenko梁振型正交性的数学表达式的基础上,建立了任意荷载作用下Timoshenko梁动力响应的模态叠加法.然后,将模态摄动法和模态叠加法结合起来,提出了变截面Timoshenko梁动力反应计算的公式.在此基础上,基于矩形截面梁,比较分析了简支Timoshenko梁理论和Euler梁理论动力反应随移动荷载速度、长细比和截面衰减率的变化规律的区别.计算结果表明:由于剪切变形和转动惯量的影响,Timoshenko梁的动力反应将大于Euler梁.当长细比小于10时,Timoshenko梁跨中位移比Euler梁增加25%以上,当长细比大于30后,可采用Euler梁理论进行简化分析.     

无约束修正Timoshenko梁的冲击问题

介绍了修正后的Timoshenko梁运动方程，并比较了修正Timoshenko梁与经 典Timoshenko梁的运动方程. 推导了考虑剪切变形引起的转动惯量的修正Timoshenko 梁的正交条件，推导了集中质量对无约束修正Timoshenko梁的正碰撞对梁所引起的瞬态冲 击响应公式，并用算例进行了分析，且与集中质量对经典的无约束Timoshenko梁的正碰撞 对梁所引起的冲击响应进行了比较，另外还用算例分析了梁的刚度的变化和冲击质量比对其 冲击响应产生的影响.     

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。     

基于共旋列式的空间梁的稳定性分析

基于独立于单元的共旋列式(EICR),将一种几何线性的无剪切锁死的Timoshenko梁单元扩展用于空间梁结构的几何非线性分析。考虑到三维分析中发生大转动时转动顺序的不可交换性,也即转动自由度不能作为向量采用加法规则更新,采用了四元变量来存储和更新转动自由度,使得共旋列式适用于位移任意大和转动任意大但应变很小的几何非线性分析。同时改进了Riks弧长法使之适用于带有大转动的三维几何非线性分析。给出了几个数值算例,结果表明本文方法具有较高的计算精度和效率。     

轴向随动分布载荷作用下FGMs Timoshenko梁的后屈曲特性

研究了Timoshenko功能梯度材料梁在随动分布载荷作用下的后屈曲问题。在考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形基础上,建立了在轴向分布随动载荷作用下一端简支一端固定Timoshenko功能梯度梁的过屈曲控制方程。其中假设功能梯度材料性质只沿厚度方向变化,并以成分含量的幂指数函数形式变化。采用打靶法求解了所得线性常微分两点边值问题,获得了随动载荷作用下Timoshenko功能梯度梁的过屈曲平衡路径和平衡构形。对比了Timoshenko梁和Euler梁的后屈曲行为,并分析了材料的体积分数指数和长细比对梁屈曲行为的影响。结果表明:考虑剪切变形的Timoshenko梁的后屈曲行为与Euler梁的后屈曲行为明显不同;体积分数指数一定时,随着长细比的增加,梁的临界载荷减小;长细比一定时,随着体积分数指数的增加,梁的临界载荷也减小。     

Timoshenko固端梁特征值问题近似计算方法

利用模态摄动法将Timoshenko梁特征值问题的求解转化为一组非线性代数方程组的求解，不仅可以简化计算过程，而且计算结果具有较高的精度，对同一类问题具有适用性。通过算例，计算了在不同长细比条件下，剪切变形和转动惯量对固端梁的各阶主频率的影响。     

弹性地基上Timoshenko梁的精确数值解

研究了弹性地基上Timoshenko梁的高精度有限元分析方法,利用控制微分方程的基本解建立了单元形函数,提出了弹性地基上Timoshenko梁分析的Trefftz单元。通过对引入的非节点自由度进行静力凝聚,得到的精确单元与常规单元具有相同的节点自由度。文中还讨论了有效降低计算过程中舍入误差的方法。算例结果表明,采用提出...     

经典理论与一阶理论之间简支梁特征值的解析关系

利用Euler-Bernoulli梁理论(EBT)和Timoshenko梁理论(一阶理论,TBT)之间,梁的特征值问题在数学上的相似性,研究了不同梁理论之间特征值的关系。将特征值问题的求解转化为一个代数方程的求解,并导出了不同梁理论之间梁的特征值之间的精确解析关系。因此,只要已知梁的经典结果(临界载荷和固有频率),便很容易从这些关系中获得一阶梁理论下的相应结果。这些解析结果清楚地显示了横向剪切变形对经典结果影响的本质特点。另外,从这些关系中获得的含有剪切变形影响的结果,可以用于检验一阶理论下梁特征值数值结果的有效性、收敛性以及精确性等问题。     

Winkler地基上裂纹Timoshenko梁的弯曲解析解

将梁中裂纹等效为无质量线性扭转弹簧,研究了温克勒(Winkler)基础上具有任意开裂纹数目Timoshenko梁的弯曲变形．利用Delta广义函数和Heaviside函数以及Laplace变换,给出了Winkler基础上具有任意裂纹数目Timoshenko梁弯曲变形的解析通解．在此基础上,研究了Winkler基础上受均布荷载作用简支裂纹Timoshenko梁的弯曲变形,数值分析了裂纹数目和位置以及深度、梁剪切刚度和基础反力系数等对裂纹Timoshenko梁弯曲变形的影响．结果表明：在裂纹处,梁挠度存在尖点,转角存在跳跃;梁挠度随着裂纹深度和数目的增加而增加,但横截面弯矩和转角减小;随着基础反力系数的增加,梁挠度、弯矩和转角减小;随着剪切刚度的增加,梁挠度减少,弯矩和转角增大．     

从一个怪例看细长梁理论的基本假定

分别采用欧拉和铁木辛柯梁理论分析了均匀分布力偶作用下的两端固支等截面匀质细长 梁, 并通过ABAQUS有限元分析了一个实例, 验证了铁木辛柯梁理论分析的结果. 对比证明在 这种载荷及边界条件下即使细长梁, 也必须考虑剪切效应的影响.     

Detection of crack location using cracked beam element method for structural analysis

The local flexibility introduced by cracks changes the dynamic behavior of the structure and, by examining this change, crack position and magnitude can be identified. In order to model the structure for FEM analysis, a special finite element for a cracked Timoshenko beam is developed. Shape functions for rotational and translational displacements are used to obtain the consistent mass matrix for the cracked beam element. Effect of the crack on the stiffness matrix and consistent mass matrix is investigated. Proposed is a procedure for identifying cracks in structures using modal test data.     

A NEW SPATIAL THIN-WALLED BEAM ELEMENT INCLUDING TRANSVERSE AND TORSIONAL SHEAR DEFORMATION

基于Timoshenko梁及Benscoter薄壁杆件理论,建立了考虑剪切变形、弯扭耦合以及翘曲剪应力影响的空间任意开闭口薄壁截面梁单元. 通过引入单元内部结点,对弯曲转角和翘曲角采用三节点Lagrange独立插值的方法,考虑了剪切变形和翘曲剪应力的影响并避免了横向剪切锁死问题;借助载荷作用下薄壁梁的截面运动分析,在位移和应变方程中考虑了弯扭耦合的影响. 通过数值算例将该单元的计算结果与理论解以及商用有限元软件和其他文献中的数值解进行对比和验证,结果对比表明该薄壁梁单元具有良好的精度和收敛性.     

Vibration analysis of a stepped laminated composite Timoshenko beam

The goal of this study is to investigate the vibration characteristics of a stepped laminated composite Timoshenko beam. Based on the first order shear deformation theory, flexural rigidity and transverse shearing rigidity of a laminated beam are determined. In order to account for the effect of shear deformation and rotary inertia of the stepped beam, Timoshenko beam theory is then used to deduce the frequency function. Graphs of the natural frequencies and mode shapes of a T300/970 laminated stepped beam are given, in order to illustrate the influence of step location parameter exerts on the dynamic behavior of the beam.     

均布力偶作用下细长梁力学分析

通过铁木辛柯梁理论分析了反向均布表面剪应力——等效均匀分布力偶作用下的等截面均质细长梁挠度和应力分布规律,并与有限元法的计算结果对比发现：当边界条件中剪力不为零时,弯曲挠度和正应力分析必须考虑剪力的影响,即Euler梁理论不能满足分析的要求;若存在剪力为零边界时,可使用Euler梁分析弯曲挠度和正应力;剪应力分布向通常规律一样,仍沿高度方向呈抛物线分布,即使对于剪力为零的横截面也可能存在剪应力,这是由于表面剪应力的影响使得梁的上下表面存在剪应力,并且剪应力在横截面内正负可以发生变化。     

转子系统振动特性分析的一种高精度有限元

导出了转子－支承系统的基本微分方程井运用Ｇａｌｅｒｋｉｎ法对一种新的高精度转子单元进行了推导。采用该单元对几个算例进行了计算并与试验结果及其它文献的相应结果进行了比较。计算结果表明，该单元具有良好的精度。     

A microstructure-dependent Timoshenko beam model based on a modified couple stress theory

A microstructure-dependent Timoshenko beam model is developed using a variational formulation. It is based on a modified couple stress theory and Hamilton's principle. The new model contains a material length scale parameter and can capture the size effect, unlike the classical Timoshenko beam theory. Moreover, both bending and axial deformations are considered, and the Poisson effect is incorporated in the current model, which differ from existing Timoshenko beam models. The newly developed non-classical beam model recovers the classical Timoshenko beam model when the material length scale parameter and Poisson's ratio are both set to be zero. In addition, the current Timoshenko beam model reduces to a microstructure-dependent Bernoulli-Euler beam model when the normality assumption is reinstated, which also incorporates the Poisson effect and can be further reduced to the classical Bernoulli-Euler beam model. To illustrate the new Timoshenko beam model, the static bending and free vibration problems of a simply supported beam are solved by directly applying the formulas derived. The numerical results for the static bending problem reveal that both the deflection and rotation of the simply supported beam predicted by the new model are smaller than those predicted by the classical Timoshenko beam model. Also, the differences in both the deflection and rotation predicted by the two models are very large when the beam thickness is small, but they are diminishing with the increase of the beam thickness. Similar trends are observed for the free vibration problem, where it is shown that the natural frequency predicted by the new model is higher than that by the classical model, with the difference between them being significantly large only for very thin beams. These predicted trends of the size effect in beam bending at the micron scale agree with those observed experimentally. Finally, the Poisson effect on the beam deflection, rotation and natural frequency is found to be significant, which is especially true when the classical Timoshenko beam model is used. This indicates that the assumption of Poisson's effect being negligible, which is commonly used in existing beam theories, is inadequate and should be individually verified or simply abandoned in order to obtain more accurate and reliable results.     

不同温度力下无缝线路钢轨振动特性分析

根据能量法和Timoshenko梁理论,运用振型叠加法建立轴向载荷作用下无缝线路钢轨谐响应有限元模型,分析了不同温度力作用对轨道结构钢轨振动特性的影响。在理论分析的基础上,通过建立实验模型对不同温度力作用下轨道结构钢轨振动特性进行了实验研究,并与理论分析进行了对比。结果表明所建立的理论模型能够比较全面地反映无缝线路结构在温度力作用下的主要振动特征,对应用振动特性来研究无缝线路的温度力和预测其安全可靠性有一定的指导作用。     

An Euler-Bernoulli-like finite element method for Timoshenko beams

In this paper a new finite element approach for the solution of the Timoshenko beam is shown. Similarly to the Euler-Bernoulli beam theory, it has been considered a single fourth order differential equation governs the equilibrium of the Timoshenko beam. The results obtained by this approach are very good, both in terms of accuracy and computational effort.