考虑剪切变形效应的受竖向集中荷载作用的单跨斜梁研究

为解决中、小跨径斜梁结构分析中采用初等梁理论而不考虑剪切变形的影响而导致计算挠度偏小的问题,基于Timoshenko深梁理论的力法及图乘法,推导了考虑剪切变形影响的单跨斜深梁在竖向集中荷载作用下的内力和变形计算公式,并用有限元软件对所推导的计算公式进行了验证。结果表明:本文理论解析结果与有限元结果吻合较好,证明了本文理论公式的正确性。通过对标准A型单跨斜箱梁桥的跨径比、斜交角、平面形状等参数进行分析得到跨径越小、斜交角越大,剪切效应对斜梁挠度的影响越大;剪切效应对平行四边形斜梁的挠度影响最大,对等腰梯形斜梁的挠度影响最小;中、小跨径斜梁桥挠度计算时应采用考虑剪切变形影响的Timoshenko深梁理论,否则会低估挠度结果;所推导的斜深梁桥内力与变形计算公式能方便设计人员的使用,有助于推动斜梁桥计算理论的深化和拓展,丰富了斜梁桥的计算方法。     

厚板振型的正交性

<正> 1.引言厚壁结构的研究是从深梁开始,在本世纪二十年代 Timoshenko 首先考虑了剪切变形影响,建立了深梁基本方程,引起了力学界的重视.随后许多人对深梁基本理论进行深入研究与分析,计算,并从三维弹性理论推导说明了 Timoshenko 梁的正确性,它与精确     

A NEW SPATIAL THIN-WALLED BEAM ELEMENT INCLUDING TRANSVERSE AND TORSIONAL SHEAR DEFORMATION

基于Timoshenko梁及Benscoter薄壁杆件理论,建立了考虑剪切变形、弯扭耦合以及翘曲剪应力影响的空间任意开闭口薄壁截面梁单元. 通过引入单元内部结点,对弯曲转角和翘曲角采用三节点Lagrange独立插值的方法,考虑了剪切变形和翘曲剪应力的影响并避免了横向剪切锁死问题;借助载荷作用下薄壁梁的截面运动分析,在位移和应变方程中考虑了弯扭耦合的影响. 通过数值算例将该单元的计算结果与理论解以及商用有限元软件和其他文献中的数值解进行对比和验证,结果对比表明该薄壁梁单元具有良好的精度和收敛性.     

轴向受载的Timoshenko薄壁梁的弯扭耦合动力响应

利用简正模态法研究各种集中载荷和分布载荷作用下单对称轴向受载的Timoshenko薄壁梁的弯扭耦合动力响应。该弯扭耦合梁所受到的载荷可以是集中载荷或沿着梁长度分布的分布载荷。目前研究中采用考虑了轴向载荷、剪切变形和转动惯量影响的Timoshenko薄壁梁理论。首先建立轴向受载的Timoshenko薄壁梁结构的普遍运动微分方程并进行其自由振动的分析。一旦得到轴向受载的Timoshenko薄壁梁的固有频率和模态形状，利用简正模态法计算薄壁梁结构的弯扭耦合动力响应。针对具体算例，提出并讨论了动力弯曲位移和扭转位移的数值结果。     

变截面Timoshenko梁动力反应的半解析法

为研究移动荷载下截面剪切变形和转动惯量影响,在推导变截面Timoshenko梁振型正交性的数学表达式的基础上,建立了任意荷载作用下Timoshenko梁动力响应的模态叠加法.然后,将模态摄动法和模态叠加法结合起来,提出了变截面Timoshenko梁动力反应计算的公式.在此基础上,基于矩形截面梁,比较分析了简支Timoshenko梁理论和Euler梁理论动力反应随移动荷载速度、长细比和截面衰减率的变化规律的区别.计算结果表明:由于剪切变形和转动惯量的影响,Timoshenko梁的动力反应将大于Euler梁.当长细比小于10时,Timoshenko梁跨中位移比Euler梁增加25%以上,当长细比大于30后,可采用Euler梁理论进行简化分析.     

基于剪切变形的矩形梁剪力滞求解方法

Timoshenko梁通过假设截面的剪切刚度和附加平均剪切转角变形的方式来近似修正初等梁中未考虑剪切变形能的问题,这与梁剪应力沿梁高变化的实际不符。本文基于材料力学剪应力计算式和相应的剪切变形理论,从剪切变形与梁的位移关系入手,导出矩形梁考虑剪切变形时的纵向位移沿梁高方向的函数关系式,证明该位移可分解为纯弯曲引起的位移和剪力引起的剪力滞翘曲位移之和。应用剪力滞广义坐标与广义力的概念,基于能量变分原理得到等截面梁剪力滞控制微分方程组及其通解形式。对均布荷载作用下矩形简支梁的算例分析表明,本文算法与弹性力学精确解对比,两者的应力和挠度剪力滞系数求解结果非常接近,本文算法有足够的精度,且比弹性力学简单。     

计及剪切变形的Timoshenko梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的Timoshenko梁的刚-柔耦合动力学问题。从力学的基本原理出发,基于Timoshenko梁假设,用虚功原理建立了带中心刚体的柔性梁的刚-柔耦合动力学方程。仿真计算结果表明,随着梁的惯量矩和横截面积比逐渐增大,剪切变形对梁的刚-柔耦合动力学性态产生了一定的影响。此外,本文还对不计剪切变形的Euler-Bernoulli梁假设的适用性进行了研究。     

Pasternak地基中Levinson梁的静力响应与动力特性

由于Levinson梁模型较Timoshenko梁模型能更合理地描述地基梁的剪切变形及地基梁-基础界面的切应力连续条件,本文采用Levinson高阶理论描述地基梁,以Pasternak地基模型刻画地基梁-基础的相互作用,建立了Pasternak地基上Levinson梁的动力控制微分方程和对应的有限元方程.对比基于Levinson高阶梁理论、Timoshenko梁理论、平面应力假定及厚板理论的地基梁模型的分析结果,本文数值验证了新提出理论的合理性,分析了Pasternak地基参数对形心轴向变形的影响.数值结果表明:提出的地基梁模型较Timoshenko模型在结构变形、静力学行为和动力学特性方面均有较大的改进,此外,研究发现忽略地基梁形心轴向位移是不合理的.     

基于传递矩阵法的U型管流固耦合特性研究

基于考虑剪切变形与转动惯量的Timoshenko梁理论,建立充液U型管流固耦合动力学模型。采用传递矩阵法求解U型管路固有频率与简谐激励下的稳态响应,并通过与FEM计算结果对比,验证了本文计算方法的正确性。采用该计算方法对管内流体的质量效应与弯曲半径对传递函数的影响进行了计算分析。本文提出的U型管路流固耦合计算方法可为换热器中U型管的减振降噪设计提供参考。     

深梁理论的研究现状与工程应用

综述了深梁理论、截面剪切修正系数计算理论、深梁线性与几何非线性有限元、深梁材料非线性分析、深梁振动理论、深梁稳定理论、箱梁结构分析中弯曲、剪力滞、畸变分析时考虑剪切变形影响的计算理论、钢腹板桥梁考虑剪切变形的研究成果、弹性地基深梁、深梁理论在工程结构中的应用等. 提出了杆系结构的静力、振动和稳定分析方法都可用Timoshenko 深梁理论进行重建和重写.     

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究.柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化.以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应.采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型.基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响.结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响.本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的Timoshenko梁结构的动力学问题求解.     

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

无约束修正Timoshenko梁的冲击问题

介绍了修正后的Timoshenko梁运动方程，并比较了修正Timoshenko梁与经 典Timoshenko梁的运动方程. 推导了考虑剪切变形引起的转动惯量的修正Timoshenko 梁的正交条件，推导了集中质量对无约束修正Timoshenko梁的正碰撞对梁所引起的瞬态冲 击响应公式，并用算例进行了分析，且与集中质量对经典的无约束Timoshenko梁的正碰撞 对梁所引起的冲击响应进行了比较，另外还用算例分析了梁的刚度的变化和冲击质量比对其 冲击响应产生的影响.     

考虑剪切效应的工字梁弯曲应力比拟杆法

随着工字形短深梁和宽翼缘梁结构的发展,截面非线性剪切变形对弯曲应力的影响愈加突出,导致传统设计中所采用的初等梁理论计算结果误差较大,不再适用。本文基于比拟杆法综合考虑剪切效应,推导出工字形梁横力弯曲应力解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明:当跨高比较小,翼缘腹板面积比较大时剪切效应对弯曲变形有显著影响。同时相比于现有解析方法,本文计算结果精度较高且适用范围更广,可用于梁结构设计。     

BAR SIMULATION METHOD FOR BENDING NORMAL STRESS OF I-BEAM IN CONSIDERATION OF SHEAR EFFECT 1)

随着工字形短深梁和宽翼缘梁结构的发展,截面非线性剪切变形对弯曲应力的影响愈加突出,导致传统设计中所采用的初等梁理论计算结果误差较大,不再适用。本文基于比拟杆法综合考虑剪切效应,推导出工字形梁横力弯曲应力解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明：当跨高比较小,翼缘腹板面积比较大时剪切效应对弯曲变形有显著影响。同时相比于现有解析方法,本文计算结果精度较高且适用范围更广,可用于梁结构设计。     

饱和多孔弹性Timoshenko梁的大挠度分析

基于微观不可压饱和多孔介质理论和弹性梁的大挠度变形假设,考虑梁剪切变形效应,在梁轴线不可伸长和孔隙流体仅沿轴向扩散的限定下,建立了饱和多孔弹性Timoshenko梁大挠度弯曲变形的非线性数学模型.在此基础上,利用Galerkin截断法,研究了两端可渗透简支饱和多孔Timoshenko梁在突加均布横向载荷作用下的拟静态弯曲,给出了饱和多孔 Timoshenko梁弯曲变形时固相挠度、弯矩和孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应.比较了饱和多孔Timoshenko梁非线性大挠度和线性小挠度理论以及饱和多孔 Euler-Bernoulli梁非线性大挠度理论的结果,揭示了他们间的差异,指出当无量纲载荷参数q＞l0时,应采用饱和多孔Timoshenko梁或Euler-Bernoulli梁的大挠度数学模型进行分析,特别的,当梁长细比λ＜30时,应采用饱和多孔Timoshenko梁大挠度数学模型进行分析.     

基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模

提出了一种基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模方法,其能够从基于弹性力学方程的数值计算结果建立简洁且能准确捕捉变形机制的力学模型。基于有限元计算得到的高精度数据和无监督数据驱动控制方程识别方法Seq-SVF,从梁的载荷和位移数据中自动识别出了Timoshenko梁形式的弯曲控制微分方程,得到了三种不同加载条件下剪切影响系数关于结构尺寸和力学参数的函数表达式。揭示了经典模型适用的加载条件,同时还给出了一种未发现的新模型。通过将基于弹性力学的第一性原理计算与数据驱动范式相结合,克服了传统建模方法的局限性和对人类经验的强依赖性,为建立简洁的力学模型提供了一种新途径。     

考虑剪切变形影响的开口薄壁梁约束扭转的扭转角分析

以开口薄壁梁约束扭转分析理论为基础,通过初参数法推导开口薄壁梁在外扭矩作用下产生的扭转角;推导了槽钢扭转剪应力不均匀系数的精确计算公式;为得到与Timoshenko梁理论类似的简化公式,探讨圣维南扭矩可以忽略时的情形,阐述了简化方法与理论解之间的误差来源,定义了剪切变形影响参数。通过具体算例分析跨度、高宽比等参数对扭转角的影响,并与符拉索夫理论、ANSYS壳单元、简化方法的计算结果进行对比。计算结果表明:当弯扭系数、高宽比恒定时,本文方法的解与符拉索夫解的最大误差从跨径为30m的16.15%到跨径为5m的89.5%;当弯扭系数、跨径恒定时,本文方法的解与符拉索夫解的最大误差从高宽比为1的6.9%到高宽比为5的62.44%;随跨径减小或高宽比增大,剪切变形不容忽略。当弯扭系数与跨径的乘积减小到一定值时可以忽略圣维南扭矩从而得到简化公式;高宽比增大,扭转剪应力不均匀系数先减小后增大。     

基于修正偶应力和高阶剪切变形理论的变截面微梁的自由振动

基于修正偶应力和高阶剪切理论建立了仅含有一个尺度参数的Reddy变截面微梁的自由振动模型,研究了变截面微梁自由振动问题的尺度效应和横向剪切变形对自振频率计算的影响。基于哈密顿原理推导了动力学方程与边界条件,并采用微分求积法求解了各种边界条件下的自振频率。算例结果表明,基于偶应力理论预测的变截面微梁的自振频率均大于经典梁理论的预测结果,即捕捉到了尺度效应。另外,梁的几何尺寸与尺度参数越接近,尺度效应就越明显,而梁的长细比越小,横向剪切变形对自振频率的影响就越明显。     

Timoshenko转轴模型的若干讨论

本文讨论多自由度转子系统用Timoshenko梁模型取代工程梁模型作动力分析引起的定量修正。对小剪切变形和小陀螺效应情况导出了各阶临界转速和回转形态的摄动样。该解的表达式清晰展现了剪切变形和转动惯量对临界转速的影响,从而为是否采用Timoshenko梁模型提供了定量判据。本文还证明了,除薄壁截面转轴外,对一般转轴,其剪切变形和转动惯量对临界转速有同量级影响,应予同等对待。