初始纵横向荷载效应对薄板自振频率的影响分析

首先基于能量变分原理,给出了同时考虑初始纵向、横向荷载效应情况下板的应变能表达、动力平衡微分方程及单元刚度矩阵。再以动力平衡微分方程为基础,运用伽辽金法解得四种典型板同时考虑初始纵向、横向荷载效应的基频近似解,并运用瑞利法解得简支矩形板考虑初始纵向、横向荷载效应的前三阶频率近似解。然后相互验证了考虑初始纵向、横向荷载效应的板单元刚度矩阵和频率近似解的正确性,并进一步分析了初始纵向、横向荷载及相关因素对板自振频率的影响。结果表明,考虑初始纵向、横向荷载效应后,板的自振频率主要受初始纵向荷载、初始横向荷载、板的厚度及边界条件等因素的影响;初始纵向、横向荷载效应对板的基频影响明显于高阶频率;初始纵向、横向荷载对板的自振频率影响分别呈线性和抛物线规律。     

四种非正交边界板考虑初始荷载效应的后期荷载位移近似解

基于考虑初始荷载效应情况下板的一般形式的静力平衡微分方程,运用坐标变换得到了轴对称情形,考虑初始荷载效应后圆形板的极坐标形式的静力平衡微分方程。运用Galerkin法解得了简支等边三角形板、固支椭圆板、固支圆形板和简支圆形板四种非正交边界板考虑初始荷载效应的后期荷载位移近似解。运用相关文献提出的有限元法验证了近似解的正确性。各位移近似解表达式简单、物理意义明确,清楚地反映了初始荷载及相关因素对后期荷载位移的影响。计算分析表明：初始荷载效应提高了板的弯曲刚度,减小了板的后期荷载位移;板的初始荷载效应主要受初始荷载、跨厚比及边界条件等因素的影响。     

三参数粘弹性地基上层合板的自由和强迫振动

基于三参数粘弹性地基模型及Reddy高阶剪切变形板理论,用双重Fourier级数形式解求得粘弹性地基上四边简支对称正交及反对称斜交层合板的各模态自由振动频率的解析解,以及这两种层合板在任意横向动荷载作用下动力响应的半解析解。通过参数分析讨论了粘弹性地基参数、边厚比等因素对自振频率及动力响应的影响。结果表明,地基的剪切刚度和压缩刚度提高了板的自振频率而降低了板的振动幅值,地基的粘性作用不可忽略。     

预应力混凝土梁桥在移动荷载作用下的动力响应分析

建立预应力钢筋混凝土等直梁强迫振动的运动微分方程,分析了梁在预应力钢筋作用下的横向振动问题.将运动微分方程解耦,得到梁在预应力作用下自振频率的解析解以及梁振动时的动力响应.分析了梁的自振频率与预应力和偏心距的关系.通过实例计算,得到了关于不同速度移动荷载车辆作用下梁的动力挠度曲线,并给出了考虑预应力和不考虑预应力时梁的动力效应比较.结果表明:随着车辆荷载移动速度的增大,梁的动力挠度随之增大;考虑预应力时梁的动力效应略有降低.     

弹性半空间地基上预应力中厚矩形板的横向振动

基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形理论,讨论在预加面内机械荷载作用下,弹性半空间地基上四边自由中厚矩形板的横向振动问题。把地基看作三维弹性半空间体,考虑地基变形的衰减。用一组数学上完备的二元多项式作为位形函数,采用pb-2 Rayleigh-Ritz法求得四边自由中厚矩形板的自振频率和在横向简谐荷载作用下的动力响应。讨论了板的长宽比、宽厚比及弹性地基和板的相对刚度对板的自振频率的影响。     

一种考虑初始缺陷影响的非线性梁单元

在目前广泛应用的梁单元中,尚缺乏全面考虑以下四种因素影响的粱单元：(1)轴力的影响;(2)剪切交形的影响;(3)初始弯曲的影响;(4)弯曲变形对轴向应变的影响,即弓形效应。事实上,以上四种非线性因素都会对钢框架结构的稳定和极限承载力有影响,需同时考虑。本文将致力于推导同时考虑以上四种因素影响的平面梁单元的平衡微分方程,最后得到精确的粱单元刚度矩阵,并研究以上四种因素对钢框架构件及钢框架结构的影响。     

荷载横向变位下变截面连续箱梁剪滞分析的有限梁段法

为研究荷载横向作用位置变化对箱梁剪滞效应的影响,对箱梁顶、底板、悬臂板分别设置了不同的剪滞纵向位移差函数;假定纵向翘曲位移沿横向分布为k次抛物线,并考虑剪滞和剪切双重效应的影响,通过能量变分法推导出了荷载横向变位时梁段单元的平衡控制微分方程组及其闭合解;提出了能对工程中常见的变截面连续箱梁剪滞效应进行分析的有限梁段法。该方法计算结果与有限元模型、已有模型试验结果的最大误差在5.95%~9.74%之间,两种工况下计算结果的叠加与有限元结果相对误差在0.07%~19.18%之间,均吻合良好,说明将基于有限梁段法的剪滞效应变分解和叠加原理用于求解复杂力状态下的剪滞效应是可行的。剪滞翘曲位移横向分布函数精度选择的研究结果表明:均布荷载分别作用于腹板顶部、顶板中心时,翘曲位移横向分布函数宜分别选用三次、二次抛物线。     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

弹簧地基上大直径单桩海上风机的一阶自振频率

自振频率是海上风机前期动力设计的主要难点之一,计算精度要求极高,而桩-土相互作用对自振频率影响显著。目前,针对桩-土相互作用普遍采用弹簧地基简化模型,为对比分析不同弹簧地基简化模型的准确性和精度,本文采用回传射线矩阵法,建立固定端、单弹簧、双弹簧和三弹簧这4种地基简化模型,基于Bernoulli-Euler梁理论和Timoshenko梁理论,求解风机系统的自振频率,并与风机基频实测值作对比,进一步分析三弹簧简化地基模型中地基旋转刚度、地基耦合刚度和地基水平刚度对风机系统基频的影响。研究结果表明,桩-土相互作用不可忽略,三弹簧地基简化模型计算风机系统基频精度最高;地基刚度对风机系统基频的敏感性次序为,地基耦合刚度>地基旋转刚度>地基水平刚度;当地基旋转(水平)刚度较小时,地基耦合刚度与地基旋转(水平)刚度的耦合效应对风机系统的基频影响较大;地基耦合刚度与地基旋转刚度的耦合效应对风机系统基频的影响程度大于地基耦合刚度与地基水平刚度的耦合效应。     

精确频率约束下框架结构的尺寸优化

本文研究受到频率约束的框架结构优化设计问题,采用基于Bernoulli-Euler梁的动力刚度法求解框架结构的自振频率,采用W-W算法精确求解自振频率及频率对设计变量的灵敏度.分析比较了将框架结构的杆件按普通静刚度梁单元和动力刚度梁单元分别建立计算模型时得到的频率分析结果.以杆件面积为设计变量,以结构重量为优化目标,对基频约束下的框架结构进行了尺寸优化,比较了节点集中质量对优化结果的影响.通过2个数值算例,验证了动力刚度阵法在框架结构频率性能分析与优化设计中的适用性,并具有较高的计算精度.     

Closed-form solutions for free vibration of rectangular FGM thin plates resting on elastic foundation

This article presents closed-form solutions for the frequency analysis of rectangular functionally graded material(FGM) thin plates subjected to initially in-plane loads and with an elastic foundation. Based on classical thin plate theory, the governing differential equations are derived using Hamilton's principle. A neutral surface is used to eliminate stretching–bending coupling in FGM plates on the basis of the assumption of constant Poisson's ratio. The resulting governing equation of FGM thin plates has the same form as homogeneous thin plates. The separation-ofvariables method is adopted to obtain solutions for the free vibration problems of rectangular FGM thin plates with separable boundary conditions, including, for example, clamped plates. The obtained normal modes and frequencies are in elegant closed forms, and present formulations and solutions are validated by comparing present results with those in the literature and finite element method results obtained by the authors. A parameter study reveals the effects of the power law index n and aspect ratio a/b on frequencies.     

Dynamic geometrically nonlinear analysis of transversely compressible sandwich plates

In order to construct a plate theory for a thick transversely compressible sandwich plate with composite laminated face sheets, the authors make simplifying assumptions regarding distribution of transverse strain components in the thickness direction. The in-plane stresses and σ_yy (Fig. 1) are computed from the constitutive equations, and the improved values of transverse stress components and σ_zz need to be computed by integration of pointwise equations of motion in a post-process stage of the finite element analysis. The improved values of the transverse strains can also be computed in the post-process stage by substituting the improved transverse stresses into the constitutive relations. A problem of cylindrical bending of a simply supported plate under a uniform load on the upper surface is considered, and comparison is made between the displacements, the in-plane stress and the improved transverse stresses (obtained by integration of the pointwise equations of motion), computed from the plate theory, with the corresponding values of exact elasticity solutions. In this comparison, a good agreement of both solutions is achieved. In the finite element analysis of sandwich plates in cylindrical bending with small thickness-to-length ratios, the shear locking phenomenon does not occur. The model of a sandwich plate in cylindrical bending, presented in this paper, has a wider range of applicability than the models presented in literature so far: it can be applied to the sandwich plates with a wide range of ratios of thickness to the in-plane dimensions, with both thin and thick face sheets (as compared to the thickness of the core) and to the sandwich plates with both transversely rigid and transversely compressible face sheets and cores.     

四角点支承四边自由矩形薄板屈曲问题的新解析解

角点支承矩形薄板的屈曲问题是板壳力学的一类重要课题，控制方程和边界条件的复杂性导致寻求该类问题的解析解十分困难。虽然各类近似/数值方法可用于解决此类难题，但作为基准的精确解析解在公开文献中鲜有报道。本文基于近年来提出的辛叠加方法，解析求解了四角点支承四边自由矩形薄板的屈曲问题。首先将问题拆分为两个子问题，接着利用分离变量与辛本征展开推导出子问题的解析解，最后通过叠加获得原问题的解。由于求解过程从基本控制方程出发，逐步严格推导，无需假定解的形式，因此本文解法是一种理性的解析方法。数值算例给出了不同长宽比和不同面内载荷比情况下，四角点支承四边自由矩形薄板的屈曲载荷和典型屈曲模态，并经有限元方法验证，确认了解析解的正确性。     

板桁结构考虑局部屈曲空间计算的横向条带板段单元法

用有限个横向条带法构造了板桁组合结构板段考虑局部屈曲的空间位移模式。基于三维连续体的虚功增量方程,导出了横向条带板段单元的ＵＬ列式,并考虑了板段单元位形变化的影响。此计算方法自由度少,计算精度高,能用于大型板桁结构的几何非线性分析。文末计算了广东西江桥板桁组合结构模型梁,计算结果与实测结果吻合较好。     

一种预测层合板层间剪应力的新后处理方法

层合板是航空航天领域典型的承力构件,过大的层间应力是导致其分层失效的主要原因.准确的层间应力预测往往依赖于三维平衡方程后处理方法(TPM).然而,该方法需要计算面内应力的一阶导,使得基于C0型板理论构造的线性单元无法使用TPM计算横向剪应力.本文在三维平衡方程后处理方法的基础上,提出了一种新后处理方法(NPM).新后处理方法通过虚功等效法消除了三维平衡方程后处理方法中产生的位移参数的高阶导.基于提出的新后处理方法和C0型板理论,仅需使用线性单元就可以预测层合板的横向剪应力.为了验证所提方法的有效性,本文基于修正锯齿理论(RZT)和所提方法构造了一种C0连续的三节点三角形线性板单元.数值算例表明,所提方法和三维平衡方程后处理方法具有相同的计算精度,提出的板单元能够准确高效地预测层合板的横向剪应力.此外,所提方法便于结合现有的有限元商用软件使用,基于商用软件中板壳单元获得的节点位移,使用新后处理方法极易获得准确的层间剪应力.     

Thermal postbuckling analysis of moderately thick plates

A thermal postbuckling analysis is presented for a moderately thick rectangular plate subjected to (1) uniform and non-uniform tent-like temperature loading; and (2) combined axial compression and uniform temperature loading. The initial geometrical imperfection of plate is taken into account. The formulations are based on the Reissner-Mindlin plate theory considering the effects of rotary inertia and transverse shear deformation. The analysis uses a deflection-type perturbation technique to determine the thermal buckling loads and postbuckling equilibrium paths. Numerical examples are presented that relate to the performances of perfect and imperfect, moderately thick rectangular plates and are compared with the results predicted by the thin plate theory.     

含基体横向损伤的黏弹性板的蠕变后屈曲分析

基于Schapery三维黏弹性损伤本构关系，引入沈为和Kachanov损伤演化方程，建立了基体横向损伤的纤维单一方向铺设黏弹性板的损伤模型；应用von Karman板理论，导出了考虑损伤效应的具初始挠度的纤维单一方向铺设黏弹性矩形板的非线性压屈平衡方程. 对未知变量在空间上采用差分法离散，时间上采用增量算法和Newton-Cotes积分法离散，控制方程被迭代求解. 算例中讨论了损伤以及有关参数对黏弹性复合材料板后屈曲行为的影响，且与已有文献的结果进行了比较. 数值结果表明：随着外载荷或者初始挠度的增大，板后屈曲趋于稳定时的挠度就愈大，损伤的影响愈明显；而随着长宽比的增大，板后屈曲趋于稳定时的挠度愈小，损伤的影响却随之增大.     

Analytical solution of rectangular plate with in-plane variable stiffness

The bending problem of a thin rectangular plate with in-plane variable stiffness is studied. The basic equation is formulated for the two-opposite-edge simply supported rectangular plate under the distributed loads. The formulation is based on the assumption that the flexural rigidity of the plate varies in the plane following a power form, and Poisson’s ratio is constant. A fourth-order partial differential equation with variable coefficients is derived by assuming a Levy-type form for the transverse displacement. The governing equation can be transformed into a Whittaker equation, and an analytical solution is obtained for a thin rectangular plate subjected to the distributed loads. The validity of the present solution is shown by comparing the present results with those of the classical solution. The influence of in-plane variable stiffness on the deflection and bending moment is studied by numerical examples. The analytical solution presented here is useful in the design of rectangular plates with in-plane variable stiffness.     

复合材料正交加筋板在横向载荷下挠度计算的半解析法

本文采用一种新的半解析法,即独特利用Heaviside函数建立与加筋板等效的变刚度模型来开展复合材料双向正交加筋板在横向载荷下的弯曲挠度分析．此模型可以准确地描述筋条在板面上的分布,以及由于筋条的存在而导致的板面刚度不均匀分布．使用Galerkin加权残值法求解该模型的控制方程,得到不同边界条件和载荷情况下的级数解．对于双向正交加筋板,将此半解析法的结果与传统均匀化方法和使用商业有限元软件ABAQUS建立的有限元模型所得到的弯曲挠度结果比较,验证了此方法的准确性和优越性．不同于传统均匀化方法,本双向正交加筋板的弯曲挠度半解析法可精确、有效地获取加筋间的局部弯曲挠度,可以促进复合材料结构的设计分析与优化的研究进展．