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。     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.      

具脱层轴对称层合圆柱壳的振动模态分析

对具环向贯穿脱层的轴对称层合圆柱壳进行振动模态分析.首先,采用Heaviside阶梯函数,构造了一种适合于脱层壳的位移模式.通过对脱层壳的能量分析,应用瑞利--里兹法后,得到用时间函数表示的系统振动控制方程,然后对其求解,得到脱层壳模态分析的特征方程式.算例中,讨论了不同的脱层位置、脱层大小和脱层深度对脱层壳振动模态的影响.     

四角点简支双稳态层合板振动特性研究

双稳态层合板作为一种柔性可变体结构,为实现振动状态下的构型调控,将对其开展固有振动特性的研究.本文以四角点简支约束的矩形非对称铺设双稳态板作为研究对象,运用最小势能原理、一阶剪切变形理论、以及冯卡门几何非线性位移应变关系,得到双稳态板的两种稳态构型.首次给出了适合于四点简支的6参数构型函数与17参数构型函数,研究对比发现对于稳态构型采用17参数的构型函数结果相对更精确;对于应用线性位移应变关系的基于任一稳态构型下振动固有特性而言,这两种构型函数得到的结果基频相差2%,其它阶次频率相差也不大.随后采用6参数构型函数得到的稳态构型研究了几何尺寸、铺层数分别对两种稳态构型固有振动特性的影响.本研究对于进一步研究该类结构动态跳变机理具有重要意义.     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

磁力双稳态压电悬臂梁俘能器的非线性振动特性研究

为研究双稳态压电俘能系统的相关特性,首先,建立了外界激励作用下双稳态压电悬臂梁俘能系统的等效数学模型;其次,运用谐波平衡法计算获得了系统的动力响应方程,通过绘制的动力响应曲线发现了系统中幅值与功率的解均存在跳跃现象和多解的不稳定区域;最后,分析比较了不同参数对系统动力响应的影响特性。研究结果为优化双稳态压电悬臂梁俘能器的设计和应用提供了理论依据。     

螺旋式输液管道振动的有限元法分析

本文采用有限元法分析螺旋式输液管道流固耦合振动。基于哈密顿变分式推导了单元质量矩阵、刚度矩阵及科里奥利力引起的阻尼矩阵,讨论了不同的流体速度、边界条件及螺距角对输液管固有频率的影响。文内还提出用于非经典非对称阻尼系统的双边里兹向量方法,并给出该方法与HQR法在计算精度与计算时间上的比较。     

大范围运动细长柔性空间结构动力学特性分析

自由-自由边界无约束状态的细长柔性空间结构大范围运动时的动力学特性对整体结构运动分析和运动控制系统设计具有极其重要的作用。通过浮动坐标系建立结构的运动学关系;借助假设模态法对结构变形进行变量分离;利用Lagrange’s方程建立了结构的刚柔耦合振动方程;再通过Rayleigh-Ritz法,以无大范围运动时的振型函数作为基本解组,得到了大范围运动影响下的结构振动特征方程,求解该方程得到了结构频率和振型。通过几组数值算例的对比分析,指出了非耦合模型和耦合模型下结构频率及振型之间的差异。     

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。     

旋转运动中弹性梁耦合振动的辛方法

研究旋转梁结构的弹性耦合振动问题。通过引入对偶体系,建立了解决该类问题的辛方法。在辛体系中描述旋转梁纵向和横向耦合振动控制方程,即哈密顿正则方程。进一步求解得到结构的固有振动频率及相应的振动模态,发现固有振动频率随转动角速度先升后降以及模态之间的某种转化规律。     

计及热应变的空间曲梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围运动的空间曲梁的刚-柔耦合动力学.结合混合坐标法和绝对坐标法的特点,取与中心刚体大范围运动有关的变量和柔性梁各单元节点相对中心刚体连体基的位移和斜率作为广义坐标,建立了一种新的柔性梁的刚柔耦合模型.基于精确的应变和位移的关系式,根据Jourdian速度变分原理,建立了带中心刚体柔性曲梁的有限元离散的动力学方程.数值对比了空间曲梁系统和空间直梁系统的刚柔耦合动力学性质,用能量守恒规律验证了文中曲梁模型的合理性.在此基础上,在应变能中计及热应变,研究温度增高引起的曲梁的热膨胀对系统的动力学性态的影响.     

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.     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.      

旋转薄板的一种高次动力学模型与频率转向

对固结于转动刚体上柔性薄板的刚柔耦合动力学和频率转向特性进行了深入研究,建立了系统的高次刚柔耦合动力学模型,该动力学模型计入了由于横向变形而引起的面内纵向缩短项,即非线性耦合变形量,并且完整保留了与非线性耦合变形量相关的所有项. 研究表明,高次耦合模型不仅适用于小变形问题,而且还适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理大变形问题上的不足. 旋转悬臂薄板相邻两阶模态间既有柔和的频率转向现象也有剧烈的频率转向现象. 柔和的频率转向伴随着的振型转换的过程是连续的,而剧烈的频率转向伴随着的振型转换的过程则是不连续的. 相隔多阶模态间存在传递性频率转向,并伴随着振型转移.      

旋转内接功能梯度材料梁刚柔热耦合动力学特性研究

对具有旋转内接功能梯度材料(functionally graded material,FGM) 梁系统的刚柔热耦合动力学特性进行研究。假定梁为Euler–Bernoulli 型,由双组分材料制成,其力学性能参数沿厚度方向呈幂律变化。考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形,并计入横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项。采用假设模态法离散柔性梁的变形场,运用第二类 Lagrange 方程推导出系统的一次近似刚柔热耦合动力学方程,并编制旋转内接FGM梁动力学仿真软件。然后通过仿真算例详细研究了各种无量纲参数及温度变化对系统固有频率、临界转速以及动力学特性的影响。研究表明：内接FGM梁的径长比、功能梯度系数以及温度变化对系统的动力学特性均有较大影响。

     

考虑尺度效应的微梁刚柔耦合动力学分析

不少微观实验已经证实,微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应.文章以转动刚体、柔性微梁组成的刚柔耦合系统为研究对象,采用偶应力理论(又称 Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,运用拉格朗日方程推导出系统考虑尺度效应的一次近似刚柔耦合动力学方程.仿真结果表明,较该文提出的一次近似耦合模型,传统的零次近似耦合模型在刚体作高速旋转时不能正确地描述微梁的动力学行为;尺度效应使微梁振动的振幅减小,频率增大.     

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.