基于混合变量条形传递函数方法的圆柱壳屈曲分析

提出了一种分析交各向异性圆柱壳和阶梯圆柱壳稳定性问题的混合变量条形传递函数方法。首先基于Fluegge薄壳理论，通过定义广义位移变量和对应的广义力变量，建立了圆柱壳混合变量能量泛函；然后通过引入条形单元，定义混合状态变量和采用传递函数方法对超级壳单元求解，得到具有多种边界条件圆柱壳屈曲问题的半解析解；最后通过位移连续和力平衡条件，可以得到阶梯圆柱壳屈曲问题的解。理论解推导过程表明此方法在引入边界条件和进行阶梯圆柱壳求解时非常方便。算例分析的结果验证了本方法的正确性。     

任意边界条件下环肋圆柱壳振动特性的建模与求解

边界条件对环肋圆柱壳的振动特性有重要影响。基于能量法,把环肋看作离散模型,构建了任意边界条件下加环肋圆柱壳的动力学模型。采用一种改进的傅里叶级数作为位移容许函数,通过瑞利里兹程序求解结构的拉格朗日方程,得到环肋圆柱壳的振动模态和频响特性。通过与实验和有限元(FEM)方法的计算结果进行对比,验证了论文方法的准确性,在此基础上分析了环肋偏心方式、截面尺寸、位置分布和边界弹簧刚度等参数对环肋圆柱壳振动特性的影响。     

基于混合变量的脱层壳屈曲分析

提出一种分析脱层圆柱壳稳定性问题的混合变量条形传递函数方法。首先基于一阶剪切理论，通过定义广义位移变量和对应的广义力变量，建立壳的改进的混合变量能量泛函；然后引入条形单元，对混合变量在环向进行离散，从而导出超级壳单元的混合变量能量泛函，由变分原理得到控制方程，采用传递函数方法得到其形式解；最后，将含环向贯穿脱层的复合材料层合壳作为超级壳单元的组合体，得到脱层壳的屈曲方程。给出了脱层大小和深度以及脱层壳边界条件对屈曲载荷的影响。     

复合材料旋转壳自由振动分析的新方法

提出了一种半解析区域分解法来分析任意边界条件的复合材料层合旋转壳自由振动. 沿壳体旋转轴线将壳体分解为一些自由的层合壳段, 视位移边界界面为一种特殊的分区界面;采用分区广义变分和最小二乘加权残值法将壳体所有分区界面上的位移协调方程引入到壳体的能量泛函中, 使层合壳的振动分析问题归结为无约束泛函变分问题. 层合壳段位移变量采用Fourier 级数和Chebyshev 多项式展开. 以不同边界条件的层合圆柱壳、圆锥壳及球壳为例, 采用区域分解法分析了其自由振动, 并将计算结果与其他文献值进行了对比. 算例表明, 该方法具有高效率、高精度和收敛性好等优点.     

基于区域分解的环肋圆柱壳-圆锥壳组合结构振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同边界条件下环肋骨圆柱壳-圆锥壳组合结构的振动特性.首先把组合壳体分解为自由的圆柱壳、圆锥壳段;视环肋骨为离散元件,根据肋骨与圆柱壳段之间的变形协调条件,将肋骨的动能和应变能附加于圆柱壳段能量泛函中.然后基于分区广义变分和最小二乘加权残值法将所有分区界面的位移协调方程引入到组合壳体的能量泛函中.圆柱壳段、圆锥壳段位移变量的周向和轴向分量分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式展开.以自由-自由、自由-固支和固支-固支边界条件的环肋骨组合壳体为例,采用区域分解法分析了其自由振动及在不同激励下的振动响应.通过与有限元软件ANSYS结果进行对比,发现两种方法计算结果非常吻合,验证了区域分解方法的计算精度和高效性.     

夹层FGM圆柱壳在扭转载荷作用下的弹性稳定性

采用半解析方法研究了两端简支的功能梯度夹层圆柱壳在端部扭转载荷作用下的弹性稳定性.考虑圆柱壳的里外表层为均匀材料,中间层为材料性质沿厚度方向连续变化的功能梯度材料,并且在界面处的材料性质保持连续. 基于Flügge薄壳理论,建立了位移形式的结构静态屈曲控制方程.根据边界条件将位移表示为三角级数形式,获得包含柱壳端部扭转载荷参数的近似线性代数特征值问题,并通过数值方法求得了表征结构失稳特征的临界载荷. 数值结果表明,临界载荷随着半径与厚度比的增加而减小,随着功能梯度中间层的弹性模量的平均值的增加而增加.      

层合圆柱厚壳热应力分析的状态方程及其半解析法

通过对Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理的修正，导出了变温作用下层合圆柱厚壳的状态方程及其半解析法，该方法在ｚ－θ曲面内采用通常的有限元离散，而沿壳厚（ｒ）方向采用状态空间法给出解析解答，且通过采用状态转移矩阵，建立了层合圆柱壳内外表面应力和位移之间的关系式，然后利用打靶法进行求解，从而大大降低了计算中的未知量数目。     

两端固支叠层圆柱厚壳轴对称问题的精确解析解

基于柱坐标系下的三维弹性力学基本方程,采用状态空间法得到两端固支单层与叠层圆柱厚壳轴对称问题的精确解析解。为严格满足固支端的边界条件,将固支端的边界位移函数作为状态变量引入状态方程,采用增维方法把非齐次状态方程变为齐次状态方程,并通过层合渐近技术将变系数状态矩阵转为常系数矩阵进行求解。所得到的解不仅严格满足三维弹性力学基本方程,而且严格满足固支边界条件,是真正意义上的三维精确解。算例表明,本研究解与有限元解吻合,具有很高的精度,且关于级数项数和分层数具有很好的收敛性。另外,通过圆柱厚壳各力学量沿径向和轴向的精确分布规律分析了厚径比和跨径比变化对位移和应力分布的影响。     

同轴圆柱壳流固耦合附加质量研究

论文根据堆本体内窄间隙同轴设备支承筒的结构特征、边界条件和窄间隙环腔内流体流速,将结构简化为一端固定一端自由的同轴圆柱壳,将圆柱壳内外的流体简化为无旋、无黏、不可压缩流体.同轴圆柱壳通过流体压力场实现耦合,其径向位移模态决定了窄间隙流体域的压力场,故采用级数形式的圆柱壳径向正交位移模态构建既满足一端固定一端自由边界条件...     

多层横观各向同性圆柱壳的三维弹性理论解

本文从三维弹性理论出发,用特征函数法研究多层横观各向同性圆柱壳的轴对称问题.把位移和应力分量的齐次解表达成特征函数展开式,并把特解部分用Fourier级数表示.以多层圆柱壳的内、外柱面作为齐次边界,同时考虑层间的连续条件,推导出问题的特征方程并用Muller法求解.文中运用传递矩阵技术处理多层问题,并用边界型最小二乘配点法处理端部边界条件.作为实例,对双层圆柱壳作了数值计算.     

变截面梁动力响应的频域传递矩阵计算方法

为提高变截面梁振动分析的计算效率,提出了基于频域传递矩阵法的动力计算算法．首先,选择线速度、角速度、弯矩和剪力作为求解变量,通过Laplace变换将变截面梁的动力响应时域偏微分方程转换为频域常微分方程;然后,通过求解频域方程并结合协调和边界条件建立变截面梁的频域传递矩阵;通过构造傅里叶级数展开形式的时域响应函数,对变截面梁传递矩阵方法求解的频响函数进行Laplace逆变换,建立了变截面梁的固有特性计算和时域瞬态响应计算方法,最后,借助数值仿真软件,开发了变截面梁动力响应分析的计算程序．完成对算例的仿真计算和分析,并与有限元计算结果进行对比,数值结果验证了该方法的正确性和有效性．     

一种利用岩块特征长度估算二维渗吸量的新方法

对于存在大量亲水疏油岩块的天然裂缝性油藏,自发渗吸是基质岩块和裂缝系统油水交换的重要驱动机制.对于一维渗吸问题,前期存在自相似解析解,后期可以用近似解析解描述,从而可以很方便地估算出岩块剩余油饱和度和岩块出油速率.本文研究了二维矩形岩块在不同边界条件下渗吸过程的近似解析解,通过引入特征长度,将二维岩块渗吸问题等效为一维,从而可以有效利用一维近似解析解来估算出二维岩块渗吸过程中剩余油饱和度和岩块出油速率随时间的变化.本文提出了一个新的混合特征长度,在渗吸前期取岩块面积与岩块开放边界长度之比;在渗吸后期,特征长度根据前期特征长度和Ma等提出的特征长度按饱和度插值确定.通过数值检验比较了几种常见的特征长度取法和本文提出的混合特征长度取法,结果表明新的混合特征长度总体性能优于其他已有的特征长度取法,并且适用于本文列举的所有边界条件.     

波数-频率域内地基土表面位移Green函数的理论分析

建立了柱面坐标系下分层弹性半空间地基土模型。利用钟阳刚度矩阵法和Haskell-Thomson传递矩阵法推导出所有分层土体之间的振动传递关系;根据Helmholtz定理将土体的位移向量分解成势函数的形式,推导出弹性半空间表面应力与位移之间的关系;再将分层土体和半空间地基土通过位移与应力之间的关系进行耦合,得到分层弹性半空间地基土模型表面位移与应力之间的关系。结合单位脉冲荷载作用下地基土表面的边界条件,推导出波数-频率域内地基土表面位移Green函数的解析解,用Matlab程序语言对理论进行实现并通过算例对地基土表面位移Green函数的特征进行了分析和总结。     

流固耦合介质轴对称动力问题解法的改进

用直接求解常微分方程组解文［１］所得的控制方程，减少了传递矩阵计算工作量，避免了子阵求逆，使问题的求解得到了简化     

Calculation of higher natural frequencies of simply supported elastic composite beams using Riccati matrix method

A composite beam is composed of an upper slab and a lower beam connected at the interface by shear transmitting studs. In this paper, an improved and efficient numerical model for the calculation of higher natural frequencies of an elastic composite beam is presented. The numerical model uses the Riccati transfer matrix method. First, the exact field transfer matrix for an element of the beam is represented using the combination of the Analog Beam Method and the transfer matrix method. Second, applying Riccati method to the beam system, the natural frequencies can be easily calculated. The advantage of the present model is to overcome the numerical instabilities of the ordinary transfer matrix method, especially when calculating the higher natural frequencies of structures. A numerical example is given to illustrate and compare the results with those available from other methods. Finally, a parametric study is given to examine the effect of various parameters of the elastic composite beam on its free vibration behavior.     

Characteristic equation solution strategy for deriving fundamental analytical solutions of 3D isotropic elasticity

A simple characteristic equation solution strategy for deriving the fundamental analytical solutions of 3D isotropic elasticity is proposed. By calculating the determinant of the differential operator matrix obtained from the governing equations of 3D elasticity, the characteristic equation which the characteristic general solution vectors must satisfy is established. Then, by substitution of the characteristic general solution vectors, which satisfy various reduced characteristic equations, into various reduced adjoint matrices of the differential operator matrix, the corresponding fundamental analytical solutions for isotropic 3D elasticity, including Boussinesq-Galerkin (B-G) solutions, modified Papkovich-Neuber solutions proposed by Min-zhong WANG (P-N-W), and quasi HU Hai-chang solutions, can be obtained. Furthermore, the independence characters of various fundamental solutions in polynomial form are also discussed in detail. These works provide a basis for constructing complete and independent analytical trial functions used in numerical methods.     

一维声子晶体中声波能带的解析研究

为了对一维声子晶体的能带进行解析研究,采用一维声子晶体的色散法,推导出一维声子晶体禁带频率和通带频率的解析公式;并利用此式对一维声子晶体的能带结构进行了解析研究,得到了禁带和导带的频率中心、频率宽度分别随介质厚度和声阻抗两者的变化规律,并与转移矩阵方法的计算结果进行了比较.研究结果表明:两种方法得到的结论相同,但解析法能更准确、更深刻地反映出一维声子晶体的能带随介质厚度和声阻抗等因素的变化规律;并且解析法克服了转移矩阵法等其他方法不能对能带结构进行解析研究的不足,是一种研究一维声子晶体能带更有效的方法.     

识别时变结构模态参数的改进子空间方法

给出了基于整体数据子空间方法的改进算法,原方法对噪声的影响极为敏感,基于原方法的关键是计算一个与原系统的广义能观阵的特征值相同的矩阵的基本事实,将求矩阵的过程转化为最小二乘的问题,然后用广义能观阵替换输出矩阵,对数据进行滤波,从而有效地降低了算法对噪声敏感性,但同时增加了计算量。利用奇异向量矩阵的正交性,将最小二乘问题中求矩阵伪逆的过程简化为求该矩阵的转置,从而降低了计算量,改进后的算法能够在提高算法对噪声的敏感性的同时降低计算量。最后利用改进后的方法辨识出一个两自由度弹簧质量块模型在三种不同的刚度变化形式下的伪模态参数,并通过与使用原方法所得的结果比较,验证了以上结论。     

Warping effect in free vibration analysis of unidirectional composite non-cylindrical helical springs

The differential equations of motion for unidirectional composite non-cylindrical helical springs including warping, which consist of 14 first-order partial differential equations with variable coefficients, are first derived based on arbitrary spatially curved anisotropic beam theory. An analytical formula for the warping function of Saint-Venant’s torsion of unidirectional composite beams with rectangular cross-section is also obtained. The natural frequencies are determined using improved Riccati transfer matrix method. The element transfer matrix is calculated by the use of the Scaling and Squaring method and Pad’e approximations. Comparisons are made with the EF-results on the natural frequencies of the springs, made from rectangular wire, with inclusion of the warping effect. Information is given on the effect on the natural frequencies of the ratio of radii of the minimum cylinder to the maximum cylinder, the helix pitch angle and the number of active turns. Numerical results reveal that the warping deformation has a significant influence on the natural frequencies, which should be considered in the free vibration analysis of such springs.     

含多处裂纹梁的振动分析

基于传递矩阵方法,提出了一种计算含有任意处裂纹梁固有频率的新方法。将梁内裂纹模拟为无质量的弯曲弹簧,得到了梁的解析特征方程。通过数值模拟计算,讨论了裂纹数量,以及裂纹位置和裂纹深度对梁的固有频率的影响。通过与文献[4]的计算结果比较,验证了本文方法的有效性。