STEADY-STATE RESPONSE OF A TIMOSHENKO BEAM ON AN ELASTIC HALF-SPACE UNDER A MOVING LOAD

By introducing the equivalent stiffness of an elastic half-space interacting with a Timoshenko beam, the displacement solution of the beam resting on an elastic half-space subjected to a moving load is presented. Based on the relative relation of wave velocities of the half-space and the beam, four cases with the combination of different parameters of the half-space and the beam, the system of soft beam and hard half-space, the system of sub-soft beam and hard half-space, the system of sub-hard beam and soft half-space, and the system of hard beam and soft half-space are considered. The critical velocities of the moving load are studied using dispersion curves. It is found that critical velocities of the moving load on the Timoshenko beam depend on the relative relation of wave velocities of the half-space and the beam. The Rayleigh wave velocity in the half-space is always a critical velocity and the response of the system will be infinite when the load velocity reaches it. For the system of soft beam and hard half-space, wave velocities of the beam are also critical velocities. Besides the shear wave velocity of the beam, there is an additional minimum critical velocity for the system of sub-soft beam and hard half-space. While for systems of (sub-) hard beams and soft half-space, wave velocities of the beam are no longer critical ones. Comparison with the Euler-Bernoulli beam shows that the critical velocities and response of the two types of beams are much different for the system of (sub-) soft beam and hard half-space but are similar to each other for the system of (sub-) hard beam and soft half space. The largest displacement of the beam is almost at the location of the load and the displacement along the beam is almost symmetrical if the load velocity is smaller than the minimum critical velocity (the shear wave velocity of the beam for the system of soft beam and hard half-space). The largest displacement of the beam shifts behind the load and the asymmetry of the displacement along the beam increases with the increase of the load velocity due to the damping and wave radiation. The displacement of the beam at the front of the load is very small if the load velocity is larger than the largest wave velocity of the beam and the half space. The results of the present study provide attractive theoretical and practical references for the analysis of ground vibration induced by the high-speed train.     

NONLINEAR VIBRATIONS OF AXIALLY ACCELERATING VISCOELASTIC TIMOSHENKO BEAMS

研究了轴向加速黏弹性Timoshenko梁的非线性参数振动。参数激励是由径向变化张力和轴向速度波动引起的。引入了取决于轴向加速度的径向变化张力,同时还考虑了有限支撑刚度对张力的影响。应用广义哈密尔顿原理建立了Timoshenko梁耦合平面运动的控制方程和相关的边界条件。黏弹性本构关系采用Kelvin模型并引入物质时间导数。耦合方程简化为具有随时间和空间变化系数的积分-偏微分型非线性方程。采用直接多尺度法分析了Timoshenko梁的组合参数共振。根据可解性条件得到了Timoshenko梁的稳态响应,并应用Routh-Hurvitz判据确定了稳态响应的稳定性。最后通过一系列数值例子描述了黏弹性系数、平均轴向速度、剪切变形系数、转动惯量系数、速度脉动幅值、有限支撑刚度参数以及非线性系数对稳态响应的影响。     

集中载荷作用下弹性球壳大范围非线性问题

采用有限元法中的伪弧长法研究了集中载荷作用下弹性球壳轴对称大范围非线性问题，变形的范围从初始状态到壳体完全翻转．文中作了计算结果与实验结果的比较     

粘弹性Timoshenko梁的变分原理和静动力学行为分析

从线性、各向同性、均匀粘弹性材料的Boltzmann本构定律出发,通过Laplace变换及其反变换,由三维积分型本构关系给出了Timoshenko梁的本构关系,并由此建立了小挠度情况下粘弹性Timoshenko梁的静动力学行为分析的数学模型,一个积分-偏微分方程组的初边值问题.同时,采用卷积,建立了相应的简化Gurtin型变分原理.给出了两个算例,考查了梁的厚度h与梁的长度l之比β对梁的力学行为的影响.     

移动载荷作用下沥青路面稳态响应与计算

为了研究移动载荷作用下沥青路面稳态响应,将沥青路面看作为作用在Kelvin黏弹性地基上不仅具有弹性而且具有黏滞性的无限长梁,建立了梁的稳态响应数学模型. 找到了稳态响应与瞬态响应的关系,由瞬态响应解析解得到了稳态响应近似解析解,并进行了实例计算.从而解决了稳态数学模型难以求解和计算的问题. 计算结果表明,依所给的道路参数和车辆载荷,只要响应位置距初始位置一定距离,移动载荷作用下沥青路面的瞬态响应即为稳态响应.     

移动载荷作用下浮冰的非线性动力学响应

本文考虑非线性、惯性和阻尼的影响, 研究了任意深度二维理想流体顶部浮冰的振动. 对相关的拟微分算子进行展开并将非线性项保留至三阶后, 完全非线性问题被简化为仅与自由面上的变量相关的三阶截断模型. 为了验证简化模型的准确性, 重点关注了自由孤立波解. 在不考虑阻尼的情况下, 采用多重尺度方法推导了三阶非线性薛定谔方程(NLS), 利用该方程预测了任意水深下原始欧拉方程中自由波包型孤立波解的存在性及三阶截断模型的准确性. 相比于Dinvay等所提出的二阶模型, 三阶截断模型的优势在于其对应的三阶NLS具有准确的非线性项系数, 能够在最小相速度附近更好地模拟冰层的动力学响应. 进一步地对自由孤立波解进行数值计算, 数值结果表明三阶截断模型在分岔曲线和孤立波波形上均与完全欧拉方程吻合良好, 准确性高于二阶截断模型. 基于三阶截断模型, 探究了匀速局域化载荷作用下的浮冰非线性动力学响应并将时间依赖解与实验测量数据进行比较, 数值计算结果与实验记录吻合良好.      

爆炸荷载作用下弹性与阻尼支承梁的动力响应

为了提高梁的抗爆能力,目前通常是从材料、截面形状等方面考虑．通过在梁端部设置弹性和阻尼支承来提高梁的抗力．为此,应用拉格朗日方程建立了端部弹性与阻尼支承梁的动力方程,通过长作用时间和短作用时间两个爆炸动荷载的典型算例,分析了端部弹性与阻尼支承对梁动态响应的影响,并指出在短作用时间动荷载作用下在梁端部设置弹性与阻尼支承可有效提高梁的抗力．     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.      

均布荷载作用下功能梯度简支梁弯曲的解析解

利用应力函数半逆解法,研究了均布载荷作用下、材料属性在厚度上任意变化的功能梯度简支梁弯曲的解析解,给出了各向应力应变与位移的解析显式表达式.首先根据平面应力状态的基本方程,得出了功能梯度梁的应力函数应满足的偏微分方程,并根据应力边界条件得出了各应力分布的表达式;进而根据功能梯度材料的本构方程和位移边界条件,得出了应变和位移的分布.最后,通过将本文的解退化到均质各向同性梁并与经典弹性解比较,证明了本文理论的正确性,并求解了材料组分呈幂律分布的功能梯度梁的应力和位移分布,分析了上下表层材料的弹性模量比λ与组分材料体积分数指数n对应力和位移分布的影响.     

含稳定缺陷的简支梁在均布强动载荷作用下的刚塑性响应

本文分析了中间截面含缺陷的轴向可移简支梁在均布阶跃、脉冲和冲击载荷作用下的刚塑性动力响应,给出了整个响应过程封闭形式的完全解,讨论了耗散能量分配与缺陷参数的关系.本文的结果对确定结构的动态失效准则是有重要参考价值的.     

热荷载作用下Timoshenko功能梯度夹层梁的静态响应

在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上建立了Timoshenko功能梯度夹层梁在热载荷作用下的几何非线性控制方程.采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了两端固支功能梯度夹层梁在横向非均匀升温作用下的静态热过屈曲和热弯曲变形数值解.分析了功能梯度材料参数变化、不同表层厚度和升温参数对夹层梁弯曲变形、拉-弯耦合变形的影响,并给出温度函数在夹层梁厚度方向的具体分布形式.     

移动的线源平稳随机荷载激励下梁的随机响应

利用广义Ｄｕｈａｍｅｌ积分和积分变换，研究了粘弹性Ｋｅｌｖｉｎ地基上无限长梁在运动的线源平稳随机荷载作用下的随机响应．发现此时梁的挠度响应为非平稳随机过程．通过引入随动坐标系，建立了有明确物理意义的随动谱分析方法，使随机位移响应在随动坐标系下成为平稳随机过程     

横向荷载作用下弹性地基上梁的主共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,并利用多尺度法求得该系统主共振的一阶近似解.分析了长细比、地基刚度、外激励幅值和阻尼系数等参数对系统主共振幅频响应的影响,然后通过与非共振硬激励情况对比分析主共振对其动力响应的影响.结果表明:主共振幅频响应存在跳跃和滞后现象;阻尼对主共振响应有抑制作用;主共振显著增大系统稳态动力响应位移.     

非齐次边界条件下轴向运动梁的非线性振动

轴向运动系统的横向非线性振动一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是针对齐次边界条件的.但是在工程实际中,非齐次边界条件更为常见,而针对非齐次边界条件的研究相对较少.为深入研究非齐次边界条件对轴向运动系统横向非线性振动的影响,本文以轴向变速运动黏弹性Euler梁为例,引入由黏弹性引起的非齐次边界条件,同时还引入由轴向加速度引起的径向变化张力,建立梁横向振动的积分-偏微分型运动方程,并导出了相应的非齐次边界条件.采用直接多尺度法分析了梁的次谐波参数共振.由可解性条件得到了梁的稳态响应,并根据Routh-Hurvitz判据确定了系统稳态响应的稳定性.通过数值例子讨论了黏弹性系数,轴向运动速度,轴向速度脉动幅值和非线性系数对幅频响应的影响,并详细对比分析了非齐次边界条件和齐次边界条件对幅频响应的影响.结果表明:随着黏弹性系数的增大,非齐次边界条件下的零解失稳区域和稳态响应幅值比齐次边界条件下的失稳区域和幅值大,非齐次边界条件对高阶次谐波参数共振的影响更加显著.最后,引入微分求积法来验证直接多尺度法的近似解结果.      

DYNAMIC RESPONSE OF TWO-DIMENSIONAL GENERALIZED THERMOELASTIC COUPLING PROBLEM SUBJECTED TO A MOVING HEAT SOURCE

Based on the Lord and Shulman generalized thermoelasticity theory with one relaxation time, an isotropic semi-infinite plate subjected to a moving heat source has been studied by employing the finite element method directly in time domain, whose distributions of nora dimensional temperature, displacement and stress are illustrated graphically. The results show that the present method is an effective and exact numerical one for solving the thermoelastic coupling problem and is capable of overcoming the defects of traditional integrated transformation and inverse integrated transformation methods. At the same time, the temperature step of the thermal wave front is obtained exactly in contrast with conventional numerical transformation methods.     

移动简谐力作用下三维多孔饱和半空间的动力问题

研究了移动荷载作用下多孔饱和地基的动力问题.应用Fourier变换求解该问题的控制偏微分方程,考虑了荷载的移动速度及振动频率对多孔饱和地基动力响应的影响,重点研究了移动速度达地基表面波速时多孔饱和半空间的振动问题(马赫效应),并与相应的弹性介质的解答进行了比较.结果显示当移动速度与多孔饱和半空间的表面波速相近时,地基会产生很大的振动;当移动速度大于表面波速时,多孔饱和半空间的动力响应与弹性半空间的动力响应有较大的差别.     

Timoshenko梁谐响应求解新方法探索

在空间域上采用只与结点有关的无网格方法离散,在时间域上采用精细积分方法求 解. 无网格离散过程中,利用伽辽金积分等效弱形式代替微分形式的控制方程,并 用修正变分原理满足位移边界条件,采用移动最小二乘法求解离散的形函数,把形 函数代入等效积分弱形式得到离散的二阶方程;精细积分过程中非齐次项采 用Romberg积分. 同时给出了两种不同边界条件的谐响 应求解的两个数值算例,得到了精确的数值结果.     

受轴向基础激励悬臂梁非线性动力学建模及周期振动

针对轴向基础激励的悬臂梁，基于Kane方程建立了含几何非线性及惯性非线性相互耦合项的动力学方程，采用多尺度法研究了梁的主参激共振响应。研究结果表明，梁的非线性惯性项具有软特性效应，对系统二阶及以上模态产生显著影响；而梁的非线性几何项具有硬特性效应，主宰了系统的一阶模态响应。将文中结果与同类研究进行比较，取得了很好的一致性，从一个侧面验证了建模方法的正确性。     

矩形梁受分布荷载的辛解答

在弹性力学平面直角坐标辛体系中,采用分离变量法,放弃齐次边界条件,得到了矩形梁侧边受幂函数形式分布荷载问题的辛解答,给出了这类问题在辛体系中的一般解法,分别对矩形梁受法向和切向分布荷载的问题进行了求解,显示了此方法的有效性.辛解法采用对偶的二类变量进行求解,可同时给出位移和应力;由于辛解法能较好地处理各种边界条件,因此不仅能求解静定问题,也能直接求解静不定问题.     

阶梯形悬臂梁在脉冲载荷作用下塑性动力响应的完全解

本文采用双塑性铰模型,分析了阶梯形悬臂梁自由端受矩形脉冲载荷作用时的刚塑性动力响应,给出了整个响应过程封闭形式的完全解,讨论了一些主要参数对最终挠度的影响。