简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法. 车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模. 假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征. 应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高. 采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.      

一种求解局部非线性结构稳态响应的方法

为了降低求解局部非线性结构稳态响应的计算量,基于子结构和阻抗缩聚提出了一种用于求解局部非线性结构稳态响应的计算方法.将局部非线性结构分解为线性子结构和非线性子结构,利用谐波平衡构造各个子结构的阻抗方程,对线性子结构进行缩聚,将局部非线性动力学方程转化为求解一组非线性代数方程组问题,通过迭代求解非线性代数方程组,求解系统的稳态响应.     

高速重载人字齿轮传动非线性动力学分析

人字齿轮承载能力强,重合度大,可靠性高,多于高速、重载工况下使用.探究高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学特性,可为其设计提供参考.首先,计算齿轮副时变啮合刚度;引入齿侧间隙、间隙非线性函数和综合传动误差,计算时变啮合力;引入轴承游隙,计算轴承受力.随后,建立高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学方程,使用4阶Runge-Kutta法对方程求解.最后,探究不同因素对系统动态响应影响.保持系统其他参数不变,分别改变输入转矩、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合刚度及激励频率,绘制系统时间-位移图像、时间-速度图像、空间相图、空间频谱图及分岔图,观察系统非线性动力学响应变化趋势,判别系统运动状态.结果表明:在一定范围内,系统稳定性与啮合阻尼、啮合刚度呈正相关关系,与齿侧间隙、输入转矩呈负相关关系;逐渐增大外部激励频率时,系统运动从单周期运动逐渐变为混沌运动,随后又回归单周期运动.为保证系统平稳运行,应合理选取外部激励频率.     

非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响。结果表明:合适的起振位置和外部激励频率能使系统进入高能轨道,产生大幅阱间运动,提高系统的俘能效率。相比于忽略梁端磁铁偏心距和转动惯量的传统模型,修正模型的系统阱间运动频带宽度及输出功率峰值的计算结果均明显增大。     

DYNAMICAL CHARACTERISTICS ANALYSIS FOR UNILATERAL CONSTRAINED SIMPLY SUPPORTED BEAM WITH HARMONIC WAVE EXCITATION1)

为研究间隙碰撞对系统动力学响应的影响,以理想简支梁的振型函数为Rayleigh--Ritz基函数建立了单侧约束简支梁系统的非线性离散动力学方程组,应用数值方法研究了系统在基础谐波激励下的动力学响应特征及其对共振频率线性等效方法适用性的影响。研究表明：非线性动力学系统间隙产生的局部碰撞,使得系统振动能量在系统各阶模态之间转移,使得线性等效方法失效;即使进行非线性分析,也需要考虑系统固有频率远大于激励频段上限的模态。     

基础谐波激励单侧约束简支梁系统的动力学特征分析

为研究间隙碰撞对系统动力学响应的影响,以理想简支梁的振型函数为Rayleigh–Ritz基函数建立了单侧约束简支梁系统的非线性离散动力学方程组,应用数值方法研究了系统在基础谐波激励下的动力学响应特征及其对共振频率线性等效方法适用性的影响。研究表明:非线性动力学系统间隙产生的局部碰撞,使得系统振动能量在系统各阶模态之间转移,使得线性等效方法失效;即使进行非线性分析,也需要考虑系统固有频率远大于激励频段上限的模态。     

非高斯激励下带附加质量的悬臂梁响应研究

大多数悬臂梁的研究都是基于确定性振动分析或将外部激励假定为高斯过程,鲜少涉及非高斯激励。针对非高斯激励下带附加质量的悬臂梁的响应特征进行研究。首先,通过Lagrange方程建立考虑曲率非线性的悬臂梁振动方程;然后,通过指数多项式闭合法求解结构响应的概率密度函数,并分析了平均到达速率、激励强度及附加质量对结构响应的影响;同时分析了非平稳非高斯激励下非线性结构参数对响应的影响。计算结果表明,指数多项式闭合法与模拟解吻合很好,平均到达速率越大,结构响应的概率密度函数曲线收缩越明显。     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能,利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程;利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响,此外还研究了系统单稳态和双稳态响应,探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明,磁间距是影响系统势能的主要因素,调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应,从而有效提高俘能器俘能特性;与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比,通过优化结构参数,附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象,实现宽频带振动能量采集。     

Matlab编程实现求解基于振型叠加法的多自由度动力学系统的时域和频域响应

给出了求解多自由度动力学系统响应的M atlab程序,这些程序基于振型叠加法可用于求解由质量矩阵M和刚度矩阵K以及常见阻尼矩阵描述的线性离散系统的时域和频域解.对于无阻尼系统,用户可以选择数值解或符号解析解(以时间或频率表示),并利用复模态叠加法计算了阻尼系统的数值解.总结了模态叠加方法下动力学响应的求解,并在简短的M atlab程序中实现.以三自由度系统和悬臂梁模型为例说明了程序的应用.这些程序也可用于工程应用中,通过对商用有限元软件包产生的质量和刚度进行后处理,产生感兴趣的时域和频域响应.     

考虑胎路多点接触的电动汽车?路面耦合系统振动分析

轮毂电机驱动电动汽车的簧下质量大, 使得轮胎动载荷增加, 且电机激励进一步加剧车轮振动. 同时, 轮胎与路面单点接触的简化模型, 其动力学计算结果与实际存在差别. 鉴于此, 考虑电机的电磁激励、胎路多点接触和非线性地基, 建立了电动汽车?路面系统机电耦合动力学模型, 通过Galerkin法推导了非线性地基梁的垂向振动, 利用积化和公式推导了非线性地基梁中非线性项积分的精确表达式, 提出了路面截断阶数选取的简易方法, 并通过路面位移响应的收敛性进行了验证. 在此基础上, 研究了胎路多点接触、非线性地基、电机激励、车速、路面不平顺幅值等对路面及车辆响应的影响. 结果表明, 非线性地基及多点接触对车辆响应的影响中, 轮胎动载荷的影响最大, 车身加速度和悬架动挠度的影响较小, 且考虑电机激励时, 二者对车辆响应的影响显著增大. 从对路面响应的影响看, 电机激励的影响最大, 非线性地基的影响次之, 多点接触的影响较小. 所建模型及研究方法可为电动汽车的垂向动力学分析提供一种新思路.      

简谐荷载下橡胶隔震渡槽-水耦合体共振响应机理分析

采用计算流体力学（CFD）方法分析了在简谐激振作用下橡胶支座隔震渡槽槽-水耦合体的共振响应特性,并通过基于水体小幅晃动假设的槽水动力响应理论解进行了验证。结果表明：橡胶支座能将激振的高频分量隔离掉,使得槽-水耦合体不存在理论解所显示的高频共振问题;在接近水体一阶晃动频率的情况下容易发生共振响应;在以一阶水体自振频率的激振作用下,液面波高、动水压力、倾覆力、倾覆力矩均表现出随时间增长的共振放大现象,并且橡胶支座对耦合体的动力响应周期有一定的延长作用。本文对渡槽隔震设计选择隔震周期时,需要避开水体一阶晃动频率提供了参考依据。     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

Dynamic Synthesis of Substructures∗

ABSTRACT

A new approach is presented to synthesize dynamic properties of a system that is composed of multiple degree of freedom subsystems attached to a multiple degree of freedom primary system at several points. Natural frequencies and mode shapes of the combined system are obtained in terms of modal properties of the primary system, subsystems, and their interaction parameters. The present solution is compared to the exact solution as well as approximate solutions obtained by earlier investigators. Derived properties can be used in conjunction with any response spectrum or random vibration formulation, to obtain the deterministic or probabilistic dynamic response of subsystems to any arbitrary excitation.     

参数激励下非线性受控系统的动力学和稳定性

研究两自由度参数激励系统的非线性动力学与控制问题．利用Lagrange方程建立含反馈控制的参激捅及其驱动机构组成的系统动力学方程，以多尺度方法获得一阶近似控制方程．然后，对系统受一阶摸态参激主共振与一、二阶模态间3：1内共振联合作用下的幅额响应及其稳定性，以及反馈参数对系统稳态行为的影响作了详细分析．结果表明，响应的稳定域位置和大小取决于位移反馈，位移立方反馈改变了系统的非线性程度，速度反馈类似于阻尼，可使系统呈现自激振动特性．     

Modeling and dynamic analysis of bolted joined cylindrical shell

Based on Sanders shell theory, modeling and dynamic analysis of bolted joined cylindrical shell were studied in this paper. When subjected to external excitations, contact state such as stick, slip and separation may occur at those locations of bolts. Considering these three contact states, an analytical model of cylindrical shell with a piecewise-linear boundary was established for the bolted joined cylindrical shell. First, the model was verified by the simplified line system, and the effects of stiffness in connecting interface and the number of bolts on natural frequency and mode shape were investigated. Then, through the response under instantaneous excitation, damping characteristic of the system was proved which is caused by the friction model. Last, the effects of external load frequency, response location, excitation amplitude and connecting parameters including stiffness and preload were numerically investigated and fully explained by 3-D frequency spectrum. The results indicated that periodic motion, times periodic motion and even chaotic motion were observed based on different parameters.     

Dynamic characteristic analysis of spur gear system considering tooth contact state caused by shaft misalignment

The effect of gear contact state change due to shaft misalignment on meshing stiffness is usually neglected in the traditional stiffness calculation model with misalignment error, the further influence mechanism of shaft misalignment on gear dynamic characteristics is also unclear. To address these shortcomings, a new mesh stiffness calculation model with misaligned gear considering the effects of tooth contact state is proposed by combining the improved loaded tooth contact analysis (LTCA) model. Then the effects of tooth contact state changes aroused by shaft misalignment on the meshing stiffness excitation are investigated. Moreover, a dynamic model of the misaligned gear system with 8 degrees of freedom (DOF) is established, and based on which the dynamic characteristics of the gear system are investigated and verified by experiment. The study results indicate that the proposed model can be used to evaluate the stiffness excitation and dynamic characteristics of the misaligned gear system with the tooth contact state taken into consideration. This study can provide a theoretical method for evaluating and identifying shaft misalignment errors.

     

结构分析有限元程序JIGFEX和它的新发展

本文简要介绍了结构静、动力有限元分析程序ＪＩＧＦＥＸ的主要特色和它在土与结构相互作用、饱和土分析、动态子结构分析、非线性接触分析、高层建筑抗震分析、温度场与热传导分析、群论结构分析以及平稳与非平稳多点随机地震激励响应分析等多方面最新发展．     

Control of vibroimpact dynamics of a single-sided Hertzian contact forced oscillator

The control of vibroimpact dynamics of a single-sided Hertzian contact forced oscillator is investigated analytically and numerically in this paper. The control strategy is introduced via a fast excitation and attention is focused on the response near the primary resonance. The fast excitation is added to the basic harmonic force, either through a harmonic force applied from above, or via a harmonic base displacement added from bellow, or by considering the stiffness of the oscillator as a periodically and rapidly varying in time. The results reveal that the threshold of vibroimpact response initiated by jump phenomenon near the primary resonance can be shifted toward lower or higher frequencies of the slow dynamic system depending on the fast excitation taken into consideration. It was also shown that the most realistic and practical way for controlling the vibroimpact dynamics is the introduction of a fast harmonic base displacement.     

弹性基础无限大板对移动荷载的响应

用积分变换方法研究了无限大板在移运的任意点源荷载作用下的一般解．发现对于运动的平稳随机荷载，板的动力响应为非平稳随机过程