基于应变梯度中厚板单元的石墨烯振动研究

基于应变梯度理论建立了单层石墨烯等效明德林(Mindlin) 板动力学方程,推导了四边简支明德林中厚板自由振动固有频率的解析解. 提出了一种考虑应变梯度的4 节点36 自由度明德林板单元,利用虚功原理建立了单层石墨烯的等效非局部板有限元模型. 通过对石墨烯振动问题的研究,验证了应变梯度有限元计算结果的收敛性. 运用该有限元法研究了尺寸、振动模态阶数以及非局部参数对石墨烯振动特性的影响. 研究表明,这种单元能够较好地适用于研究考虑复杂边界条件石墨烯的尺度效应问题. 基于应变梯度理论的明德林板所获得石墨烯的固有频率小于基于经典明德林板理论得到的结果. 尺寸较小、模态阶数较高的石墨烯振动尺度效应更加明显. 无论采用应变梯度理论还是经典弹性本构关系,考虑一阶剪切变形的明德林板模型预测的固有频率低于基尔霍夫(Kirchho) 板所预测的固有频率.      

APPROXIMATE THEORY AND ANALYTICAL SOLUTION FOR DYNAMIC CALCULATION OF VISCOELASTIC LAYERED PERIODIC PLATE

由于周期性隔振结构动力计算中较少考虑轨道交通载荷及材料黏弹性,因此,本文以黏弹性层状周期板为研究对象,提出了垂向移动简谐载荷下,可以考虑材料黏弹性及板内横向剪切变形的黏弹性层状周期板动力计算近似理论并给出解析解答.设板中性面的横向剪切变形为横截面的整体剪切变形,利用Reissner-Mindlin假设及提出的剪切变形补充计算条件,得到了中性面法线转角与中性面剪应力的关系.基于平衡方程和应力连续条件,建立了黏弹性层状周期板振动控制方程,推导了对边简支对边自由条件下,板垂向位移的简化Fourier级数形式解.与经典层合板模型和有限元计算结果进行了比较,验证了本文解答的有效性.结果表明：（1）黏弹性层状周期板可以显著降低单一材料板在自振频率处的振动响应,但会引起局部低频频段的振动放大;（2）板的垂向位移随着载荷速度的增大而增大,当载荷速度超过300 km/h后,其对板振动响应的影响减弱;（3）黏弹性层剪切模量存在最佳设计值,可使结构的隔振性能最佳;（4）黏弹性层的阻尼特性在低频范围内对结构振动影响较小;（5）可在满足工程实际的情况下适当增加板长,以提高结构的隔振性能.     

纳米板振动特性的两类尺度效应研究1)

利用非局部应变梯度理论研究了纳米板横向自由振动特性。通过迭代法获得非局部应力的渐近表达式,利用哈密顿变分原理推导了纳米板的振动控制方程。针对四边简支边界条件,运用双重三角级数法给出了板固有频率的表达式,然后研究了非局部参数、材料特征参数、几何尺寸对纳米板自振频率的影响。数值结果表明：非局部效应会弱化纳米板的等效刚度,因而使板的固有频率降低,应变梯度效应则与之相反,两类效应仅在纳米尺度下对自振频率有显著影响;板几何尺寸的改变也会对其振动频率产生重要影响。     

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小.窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.     

TRIAL FUNCTION METHOD FOR THE LONGITUDINAL VIBRATION OF RODS WITH VARIABLE CROSS-SECTIONS

给出了一种试探函数法,并研究了变截面杆的纵振动问题. 先给出振动控制方程的特殊函数形式的试探解,然后要求此解满足控制方程,反过来确定了控制方程各种可能的系数函数（即截面变化函数）并得到了控制方程的精确解. 作为例子,给出了一种变截面杆在3 种边界条件下的频率方程,计算出了固有频率. 研究表明,试探函数法简单、直接,适合于研究变截面杆的纵振动问题. 对于杆扭转振动、薄膜振动以及管中波传播等问题,该方法同样有推广应用价值.     

APPROXIMATE SOLUTIONS FOR TRANSIENT RESPONSE OF CONSTRAINED DAMPING LAMINATED CANTILEVER PLATE

The series composed by beam mode function is used to approximate the displacement function of constrained damping of laminated cantilever plates, and the transverse deformation of the plate on which a concentrated force is acted is calculated using the principle of virtual work.By solving Lagrange＇s equation, the frequencies and model loss factors of free vibration of the plate are obtained, then the transient response of constrained damping of laminated cantilever plate is obtained, when the concentrated force is withdrawn suddenly.The theoretical calculations are compared with the experimental data, the results show：both the frequencies and the response time of theoretical calculation and its variational law with the parameters of the damping layer are identical with experimental results.Also, the response time of steel cantilever plate, unconstrained damping cantilever plate and constrained damping cantilever plate are brought into comparison, which shows that the constrained damping structure can effectively suppress the vibration.     

Mindlin 矩形微板的热弹性阻尼解析解

首次给出了四边简支的 Mindlin 矩形微板热弹性阻尼的解析解. 基于考虑一阶剪切变形的 Mindlin 板理论和单向耦合热传导理论建立了微板热弹性耦合自由振动控制微分方程. 忽略温度梯度在面内的变化,在上下表面绝热边界条件下求得了用变形几何量表示的温度场的解析解. 进一步将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的四阶偏微分方程. 利用特征值问题之间在数学上的相似性,在四边简支条件下给出了用无阻尼 Kirchhoff 微板的固有频率表示的 Mindlin 矩形微板的复频率解析解,从而利用复频率法求得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后,通过数值结果定量地分析了剪切变形、材料以及几何参数对热弹性阻尼的影响 规律. 结果表明,Mindlin 板理论预测的热弹性阻尼小于 Kirchhoff 板理论预测的热弹性阻尼. 两种理论预测的热弹性阻尼之间的差值在临界厚度附近十分显著. 另外,随着微板的边/厚比增大,Mindlin 微板的热弹性阻尼最大值单调增大,而 Kirchhoff 微板的热弹性阻尼最大值却保持不变.      

ANLYTICAL SOLUTION OF THERMOELASTIC DAMPING IN RECTANGULAR MINDLIN MICRO PLATES 1)

首次给出了四边简支的 Mindlin 矩形微板热弹性阻尼的解析解. 基于考虑一阶剪切变形的 Mindlin 板理论和单向耦合热传导理论建立了微板热弹性耦合自由振动控制微分方程. 忽略温度梯度在面内的变化,在上下表面绝热边界条件下求得了用变形几何量表示的温度场的解析解. 进一步将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的四阶偏微分方程. 利用特征值问题之间在数学上的相似性,在四边简支条件下给出了用无阻尼 Kirchhoff 微板的固有频率表示的 Mindlin 矩形微板的复频率解析解,从而利用复频率法求得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后,通过数值结果定量地分析了剪切变形、材料以及几何参数对热弹性阻尼的影响 规律. 结果表明,Mindlin 板理论预测的热弹性阻尼小于 Kirchhoff 板理论预测的热弹性阻尼. 两种理论预测的热弹性阻尼之间的差值在临界厚度附近十分显著. 另外,随着微板的边/厚比增大,Mindlin 微板的热弹性阻尼最大值单调增大,而 Kirchhoff 微板的热弹性阻尼最大值却保持不变.     

FREE VIBRATION OF TAUT CABLE WITH DAMPER AND PARALLEL SPRING

分析了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的自由振动特性,由系统的运动方程及边界条件 得到其复特征值方程。进一步研究了系统的极限解,由此讨论了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的模态变化分区现象。以拉索-并联弹簧-阻尼器系统的二阶模态解为例,给出了模态频率和阻尼比的变化分布区间及其对应振型的变化情况。讨论了系统分区中存在的模态交叉现象;同时也讨论了斜拉索垂度对于一阶振动模态变化规律的影响。研究表明拉索-并联弹簧-阻尼器系统的振动模态演化因并联弹簧-阻尼器的位置不同而存在的明确的分区现象;安装并联弹簧和阻尼器后拉索的模态阻尼比和模态频率均可明显提高。     

光滑节点插值法:计算固有频率下界值的新方法

将光滑节点插值法用于悬臂梁的静力学,并首次用于旋转柔性梁的频率分析. 采用梯度光滑技术,用线性插值形函数描述梁的位移场,求解4 阶微分方程. 在静力学分析中,将该方法所得梁中各点位移与假设模态法、有限元法及解析解的结果对比,可知该方法虽用简单的线性插值形函数描述梁的位移场,但精度却很高. 进一步研究表明,采用模态高于9 阶的假设模态法会使刚度阵条件数变差,导致结果发散. 在频率分析中,与有限元法、假设模态法和解析解对比,表明该方法一个重要特性:能提供固有频率的下界值,而有限元法和假设模态法只能提供固有频率的上界值,说明该方法结合有限元法在处理无解析解的问题时可以从上下界最大程度的逼近真实解,提高精度. 光滑节点插值法具有形函数结构简单、独立变量少且能提供固有频率下界值的特性,因此,具有较高的推广及应用价值.      

黏弹性层合悬臂薄壁圆柱壳的模态特性研究

基于薄壳理论和黏弹性理论, 得出了黏弹性层合悬臂薄壁圆柱壳模态特性的半解析解. 根据乐甫薄壳理论, 建立了基层和黏弹性阻尼层薄壁圆柱壳的一阶状态微分方程, 结合黏弹性阻尼层的变形协调关系和层间作用力关系, 利用传递矩阵法得出了整体结构的传递矩阵, 采用高精度的精细积分法得出了固有频率、模态损耗因子和三维模态振型, 最后通过有限元法进行了比较, 通过算例验证了传递矩阵法对黏弹性层合薄壁圆柱壳模态特性研究的有效性.     

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.      

弹性地基上多孔功能梯度材料矩形板的自由振动与临界屈曲载荷分析

多孔功能梯度材料(FGM)构件的特性与孔隙率和孔隙分布形式有密切关系。本文基于经典板理论,考虑不同孔隙分布形式时修正的混合率模型,研究Winkler弹性地基上四边受压多孔FGM矩形板的自由振动与临界屈曲载荷特性。首先利用Hamilton原理和物理中面的定义推导Winkler弹性地基上四边受压多孔FGM矩形板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化,然后应用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程和边界条件进行变换,得到计算无量纲固有频率和临界屈曲载荷的代数特征方程。将问题退化为孔隙率为零时的FGM矩形板并与已有文献进行对比以验证其有效性。最后计算并分析了梯度指数、孔隙率、地基刚度系数、长宽比、四边受压载荷及边界条件对多孔FGM矩形板无量纲固有频率的影响以及各参数对无量纲临界屈曲载荷的影响。     

STUDY ON AEROTHERMOELASTICITY OF A HYPERSONIC ALL-MOVABLE CONTROL SURFACE

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境,在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流,应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布,进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性,结合基于CFD 技术的当地流活塞理论,在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明,气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距,进而改变了结构的颤振速度和颤振频率;随着热传导的进行,结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变,弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升;舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响,使其最大下降了6%.     

氮化硅陶瓷平板振动模态参数的研究

本文采用压电陶瓷片测振技术,试验分析了氮化硅陶瓷平板的固有频率及模态阻尼比,试验结果与有限元计算结果比较吻合。本文还对氮化硅陶瓷平板与普通钢平板做了对比试验,结果表明氮化硅陶瓷平板的固有频率及模态阻尼比都较高。     

夹层圆柱壳振动的谱有限元分析

从哈密顿变分原理获得夹层圆柱壳的运动微分方程和边界条件,将谱有限元法用于夹层圆柱壳结构,推导出不同周向模态下夹层圆柱壳单元的动力刚度矩阵和隐式动力形状函数,分析长径比、径厚比、芯表厚度比、芯表模量比对固有频率和模态损耗因子的影响.研究表明:小径厚比、大长径比及大芯表厚度比有利于抑制夹层圆柱壳振动.     

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

DYNAMIC ANALYSIS OF SPINNING DEPLOYMENT OF A SOLAR SAIL COMPOSED OF VISCOELASTIC MEMBRANES

近年来, 可用于航天器推进的太阳帆自旋展开技术引起人们广泛关注. 这类太阳帆可视为由中心旋转毂轮、若干柔性绳索、太阳帆薄膜和集中质量等组成的刚柔耦合多体系统.为了对系统中的太阳帆薄膜进行建模, 提出了基于绝对节点坐标方法描述的黏弹性薄板单元, 并对其有效性进行了验证.针对简化的"IKAROS"自旋展开太阳帆系统, 采用结合自然坐标方法与绝对节点坐标方法的绝对坐标方法对其进行建模, 采用广义-α方法对大规模系统动力学方程进行求解.研究了黏弹性太阳帆薄膜自旋展开过程的动力学特性, 讨论了薄膜的黏弹性阻尼对自旋展开过程的影响规律.     

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.      

Aeroelastic dynamics stability of rotating sandwich annular plate with viscoelastic core layer

A dynamic model for a rotating sandwich annular plate with a viscoelastic core layer is developed. All fundamental equations and boundary conditions are established based on Hamilton’s principle, and the rotation effect and viscoelastic properties of the sandwich structure are taken into account. The aerodynamics force acting on the plate is described by a rotating damping model, and the constitutive behavior of the viscoelastic core layer is formulated by the frequency-dependent complex modulus. The effects of geometrical and material parameters on frequencies and damping of forward and backward traveling waves and the dynamic stability for the rotating sandwich plate are numerically analyzed by means of Galerkin’s method. The results show that the critical and flutter speeds of the rotating plate can be increased at some certain parameters of the viscoelastic core layer.