静载荷对夹层圆板超谐波共振的影响

研究静载荷作用下夹层圆板的超谐波共振问题．基于Hoff型夹层板理论,给出了静载荷作用下夹层圆板的非线性动力学方程．应用Galerkin法推导了静载荷作用下夹层圆板的轴对称非线性振动方程．运用多尺度法分别对系统的三次超谐波问题和二次超谐波问题进行了求解,并依据Lyapunov稳定性理论得到了系统稳态运动的稳定性判据．通过算例,得到了周边简支约束下夹层圆板三次超谐波共振和二次超谐波共振的幅频响应曲线图、振幅-静载荷响应曲线图、振幅-激励力幅值响应曲线图;研究了不同参数对系统振幅的影响规律,并对解的稳定性进行了分析．     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

二维编织陶瓷基复合材料应力-应变行为

对二维编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟. 将二维 编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构. 基于基体随机开裂、纤维随机断裂分布 理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分进行分割, 引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系. 结合正交铺层部分和纤维束波动 部分的应力-应变关系,得到二维编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好.     

各向异性板的面导纳特性研究

目前在工程上各向异性结构中的振动问题和振动能量传递的问题越来越多,然而对各向异性结构导纳的研究还不充分,对各向异性板面导纳的研究也还处于萌芽状态。面导纳不仅反映结构的振动特性还能反映能量传递的特性,因此面导纳比点导纳在工程上更加贴合实际。本文根据理论公式获得了一般各向异性板面导纳的理论解,并与有限元模型的数值解对比发现两者有较好的一致性。作者采用有限元方法深入研究了各向异性板的弹性常数、板的尺寸大小及边界条件等对面导纳及其点导纳和面导纳差异值的影响,力求给工程测量和实际运用提供指导。研究发现增加激励面积、减小结构刚度及阻尼系数会使点、面导纳差异变大,剪切模量对板振动特性的影响远小于弹性模量,一般各向异性板模型退化为正交各向异性板模型会使点、面导纳差异变大,加大板的面积及增加阻尼系数有利于缩减导纳的波动范围,边界条件对板减振性能的影响较小。     

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为研究轻钢增层结构的动力特性,本文详细介绍了以有机玻璃为模型材料轻钢增层结构采用共振法试验的方法．将共振法测试到的模型动力特性,与理论计算作了对比,二者具有较好的一致性,并对试验结果进行了理论与计算分析．     

双曲率壳的力学研究进展

双曲率壳是飞机、汽车以及船舶上常见的薄壁结构，其中性面可看作是一条动曲线沿着另一条曲线扫掠所形成的曲面．双曲率壳的非线性理论不断更新推动着双曲率壳力学行为的研究．随着工程实际应用的不断改进，如功能梯度材料(FGM)，加筋壳，弹性地基模型等的引入，双曲率壳在强度、变形和稳定性等方面的研究得到了进一步促进．本文首先回顾了双曲率壳结构非线性力学基本理论发展过程，主要阐述了经典的二维板壳理论，如Donnell 薄壳理论，一阶剪切变形壳理论，高阶剪切变形壳理论，和三维板壳理论的理论体系及基本公式，并对几种理论之间的联系和应用进行了总结和讨论，简述了近几十年来国内外学者在双曲率壳非线性弯曲、稳定性和振动等方面的最新研究成果，最后对双曲率壳体研究目前的局限性和未来的研究方向进行了探讨．     

受限亚音速气流中倒置悬臂壁板静气弹稳定性的理论及实验研究

板壳结构在航空航天、高速列车、能量采集等诸多工程领域已经得到了广泛应用. 将悬臂壁板倒置于轴向气流中并在壁板周围流场中设置刚性壁面可有效地调控壁板的失稳速度, 是俘能器优化设计的重要措施之一. 但针对刚性壁面作用下亚音速气流中倒置悬臂壁板的失稳机制仍需要开展深入研究. 本文以受限亚音速气流中倒置的二维悬臂壁板为对象, 以理论分析及风洞实验为手段, 研究了单侧刚性壁面效应对倒置悬臂壁板静态失稳特性的影响规律. 在理论分析中, 首先应用镜像函数法来处理壁面约束条件, 基于算子理论研究获得了以Possio积分方程为表征的壁板气动力, 壁面效应实际表征为一包含移位Tricomi算子的复合算子; 然后将壁板失稳方程的求解问题转化为定区间上的函数逼近问题; 最后, 依据Wererstrass定理并利用最小二乘法求解该最优函数, 以获得系统的失稳临界参数. 在试验研究中依据压杆稳定原理设计了壁板静态失稳的测试方法并完成了风洞实验. 理论分析结果表明, 壁板会发生发散(静气动弹性)失稳, 临界动压随壁板与壁面间距的增加而增大并最终趋于稳定(无壁面情况); 通过理论与风洞实验结果的对比分析, 验证了本文气动力及理论分析的适用性及准确性. 针对倒置悬臂壁板结构的气动弹性失稳问题, 本文提出的方法不涉及系统方程的离散及特征值求解问题, 而是将其转化为了定区间上的函数逼近问题进行求解, 这为弹性结构静气动弹性失稳问题的研究提供了一个可行的新思路.      

受限亚音速气流中倒置悬臂壁板静气弹稳定性的理论及实验研究

板壳结构在航空航天、高速列车、能量采集等诸多工程领域已经得到了广泛应用.将悬臂壁板倒置于轴向气流中并在壁板周围流场中设置刚性壁面可有效地调控壁板的失稳速度,是俘能器优化设计的重要措施之一.但针对刚性壁面作用下亚音速气流中倒置悬臂壁板的失稳机制仍需要开展深入研究.本文以受限亚音速气流中倒置的二维悬臂壁板为对象,以理论分析及风洞实验为手段,研究了单侧刚性壁面效应对倒置悬臂壁板静态失稳特性的影响规律.在理论分析中,首先应用镜像函数法来处理壁面约束条件,基于算子理论研究获得了以Possio积分方程为表征的壁板气动力,壁面效应实际表征为一包含移位Tricomi算子的复合算子;然后将壁板失稳方程的求解问题转化为定区间上的函数逼近问题;最后,依据Wererstrass定理并利用最小二乘法求解该最优函数,以获得系统的失稳临界参数.在试验研究中依据压杆稳定原理设计了壁板静态失稳的测试方法并完成了风洞实验.理论分析结果表明,壁板会发生发散(静气动弹性)失稳,临界动压随壁板与壁面间距的增加而增大并最终趋于稳定(无壁面情况);通过理论与风洞实验结果的对比分析,验证了本文气动力及理论分析的适用性及准确性.针对倒置悬臂壁板结构的气动弹性失稳问题,本文提出的方法不涉及系统方程的离散及特征值求解问题,而是将其转化为了定区间上的函数逼近问题进行求解,这为弹性结构静气动弹性失稳问题的研究提供了一个可行的新思路.     

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制

二维材料是指厚度仅有单层或数层原子的晶体或非晶材料,其优异的物理、力学和化学性能给纳米尺度超薄固体润滑材料的设计和发展带来了新的契机。同时,二维材料独特而简单的拓扑结构也为深入了解摩擦的微观机制提供了一个理想的对象。本文综述了以石墨烯为主的二维材料纳米尺度摩擦和磨损研究的进展。根据相对运动形式的不同,我们分别介绍了二维材料的层间滑动和表面摩擦行为,并详细阐述了这些独特行为背后的微观物理机制;同时我们还重点介绍了若干种影响和调控二维材料表面摩擦性能的典型方法和策略,以及二维材料纳米尺度的磨损行为及其失效模式。最后,我们还对纳米尺度二维材料摩擦研究进行了小结,并展望了该领域尚待探索的若干研究方向。     

A Comment on Governing Equations of Envelope Surface Created by a Two-Dimensional Directional Wavepacket Centered around a Propagation Direction on an Elastic Plate

Plates are common structural elements of most engineering structures, including aerospace, automotive, and civil engineering structures. The study of plates from theoretical perspective as well as experimental viewpoint is fundamental to understanding of the behavior of such structures. The dynamic characteristics of plates, such as natural vibrations, transient responses for the external forces and so on, are especially of importance in actual environments. In this paper, we consider natural vibrations of an elastic plate and the propagation of a wavepacket on it. We derive the two-dimensional equations that govern the spatial and temporal evolution of the amplitude of a wavepacket and discuss its features. We especially consider a directional wavepacket on an elastic plate, which propagation direction is centered around a main direction, but which wavenumber and frequency are fixed by a certain value. The fact that its envelope becomes time-invariant and is governed by the Schrödinger–Nohara type equation is shown.     

基于COMSOL的简化对流传热结构拓扑优化方法

提出了一种基于COMSOL平台的简化对流传热结构拓扑优化实现方法。简化对流传热拓扑优化可用于获得性能更优的散热结构概念设计,但缺乏可行性强和适用范围广的实现方法,导致工程应用存在较高的技术门槛。为解决该问题,本研究采用在经典传热方程中引入对流换热项的方式,建立了可用于COMSOL平台简化对流换热分析的控制方程。进一步的,结合COMSOL平台提供的传热分析模块以及拓扑优化模块,搭建了简化对流传热结构拓扑优化计算框架。数值算例考虑了经典二维和三维的简化对流传热结构优化设计问题。结果显示了本文方法的有效性及可行性。     

Concurrent topology optimization design of stiffener layout and cross-section for thin-walled structures

Acta Mechanica Sinica - Stiffened plates or shells are widely used in engineering structures as primary or secondary load-bearing components. How to design the layout and sizes of the stiffeners is...     

Metal sandwich plates subject to intense air shocks

Recent results on fluid–structure interaction for plates subject to high intensity air shocks are employed to assess the performance of all-metal sandwich plates compared to monolithic solid plates of the same material and mass per area. For a planar shock wave striking the plate, the new results enable the structural analysis to be decoupled from an analysis of shock propagation in the air. The study complements prior work on the role of fluid–structure interaction in the design and assessment of sandwich plates subject to water shocks. Square honeycomb and folded plate core topologies are considered. Fluid–structure interaction enhances the performance of sandwich plates relative to solid plates under intense air shocks, but not as significantly as for water blasts. The paper investigates two methods for applying the loading to the sandwich plate—responses are contrasted for loads applied as a time-dependent pressure history versus imposition of an initial velocity.     

The vibroacoustic response and sound absorption performance of multilayer,microperforated rib-stiffened plates

The vibroacoustic response and sound absorption performance of a structure composed of multilayer plates and one rigid back wall are theoretically analyzed. In this structure, all plates are two-dimensional, microperforated, and periodically rib-stiffened. To investigate such a structural system, semianalytical models of one-layer and multilayer plate structures considering the vibration effects are first developed. Then approaches of the space harmonic method and Fourier transforms are applied to a one-layer plate, and finally the cascade connection method is utilized for a multilayer plate structure. Based on fundamental acoustic formulas,the vibroacoustic responses of microperforated stiffened plates are expressed as functions of a series of harmonic amplitudes of plate displacement, which are then solved by employing the numerical truncation method. Applying the inverse Fourier transform, wave propagation, and linear addition properties, the equations of the sound pressures and absorption coefficients for the one-layer and multilayer stiffened plates in physical space are finally derived. Using numerical examples, the effects of the most important physical parameters—for example, the perforation ratio of the plate, sound incident angles, and periodical rib spacing—on sound absorption performance are examined. Numerical results indicate that the sound absorption performance of the studied structure is effectively enhanced by the flexural vibration of the plate in water.Finally,the proposed approaches are validated by comparing the results of stiffened plates of the present work with solutions from previous studies.     

Analysis of thickness-shear and thickness-twist modes of AT-cut quartz acoustic wave resonator and filter

The thickness-shear(TS) and thickness-twist(TT) vibrations of partially electroded AT-cut quartz plates for acoustic wave resonator and filter applications are theoretically studied. The plates have structural variations in one of the two in-plane directions of the plates only. The scalar differential equations derived by Tiersten and Smythe for electroded and unelectroded AT-cut quartz plates are used, resulting in free vibration resonant frequencies and mode shapes for both fundamental and overtone families of modes. The trapped modes with vibrations, mainly confined in the electroded areas, are found to exist in both the resonator and the filter structures. The numerical results for the trapped modes are presented for different aspect ratios of electrodes and material properties, providing a reference to the design and optimization of quartz acoustic wave resonators and filters.     

Dynamics problems of micro/nano channel resonators for detection and characterization

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.      

弹性拓扑材料研究进展

拓扑绝缘体起源于量子波动系统, 因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质, 近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域, 为经典波的调控提供了新思路. 本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展. 首先以一维、二维离散点阵系统为例, 阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念, 如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等. 随后, 依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展, 并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象. 最后, 讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.      

Model B-I for macro rectangular element and problems of influence surface for plate structures

Model B-I for marco rectangular element is presented for the first time in this paper. To establish the influence surface for resultant R of bending plates, a number of generalized distributive loads q are defined. It is shown by numerical examples that Model B-I and the formula for the generalized distributive loads advanced in this paper are featured by high accuracy, low memory space and flexibility in practical application, and that they are especially effective for plate structures subject to moving loads, such as the two-dimensional continuous plates of highway bridges and the flat stabs in piled jetty engineering.