势流中弹性薄板的变形与应力分析

应用弹性薄板的基本理论和流体力学的基本方程,采用相容拉格朗日-欧拉法,深入研究弹性薄板在理想流体横向绕流时的弯曲变形及应力状态.结合接触面处流体与弹性薄板相互作用的运动学方程和动力学方程,建立不间断横向绕流条件下弹性薄板弯曲变形的微分方程.根据边界条件给出挠度函数,采用泰勒展开的方法得到弹性薄板变形与应力的表达式.通过具体算例分析弹性体参数对变形以及应力大小的影响.其分析结果可为流体作用下弹性薄板的强度与刚度设计提供参考.     

薄板理论的正交关系及其变分原理

利用平面弹性与板弯曲的相似性理论，将弹性力学新正交关系中构造对偶向量的思路推广到 各向同性薄板弹性弯曲问题，由混合变量求解法直接得到对偶微分方程并推导了对应的变分 原理. 所导出的对偶微分矩阵具有主对角子矩阵为零矩阵的特点. 发现了两个独立的、对称 的正交关系，利用薄板弹性弯曲理论的积分形式证明了这种正交关系的成立. 在恰当选择对 偶向量后，弹性力学的新正交关系可以推广到各向同性薄板弹性弯曲理论.     

面内变刚度薄板弯曲问题的挠度?弯矩耦合神经网络方法

发展了一种求解面内变刚度功能梯度薄板弯曲问题的神经网络方法. 面内变刚度薄板弯曲问题的偏微分控制方程为一复杂的4阶偏微分方程, 传统的基于强形式的神经网络解法在求解该偏微分方程时可能会遇到难以收敛、边界条件难以处理的情况. 本文基于Kirchhoff薄板弯曲理论, 提出了一种直角坐标系下任意面内变刚度薄板弯曲问题的神经网络解法. 神经网络模型包含挠度网络与弯矩网络, 分别用于预测薄板的挠度与弯矩, 从而将求解4阶偏微分方程转换为求解一系列二阶偏微分方程组, 通过对挠度、弯矩试函数的构造可使得神经网络计算结果严格满足边界条件. 在误差的反向传播中, 根据本文提出的误差函数公式计算训练误差并结合Adam优化算法更新模型的内部参数. 求解了不同边界条件、形状的面内变刚度薄板弯曲问题, 并将所得计算结果与理论解、有限元解进行对比. 研究表明, 本文模型对于求解面内变刚度薄板弯曲问题具备适应性, 虽然模型中的弯矩网络收敛较挠度网络要慢, 但本文方法在试函数的构造上更为简单、适应性更强.      

梯度弹性基础上正交异性薄板的弯曲

基于能量法和变分原理,采用双参数弹性基础模型,研究了梯度弹性基础上正交异性薄板在分布载荷作用下的弯曲问题。首先,根据能量法与变分原理,给出了梯度弹性基础上正交异性薄板的弯曲微分平衡方程,并得到了梯度弹性基础刚度系数 与 的计算表达式;进而,假设 向正应力在厚度方向上均匀分布,推导了弹性基础 向位移衰减函数 的计算式。在算例中,通过将梯度弹性基础退化为均质基础,并与Vlazov模型对比,证明了本文理论的正确性;最后,求解了弹性模量呈幂律分布的梯度基础上薄板的挠度分布,分析了基础上下表层材料弹性模量比 与体积分数指数 对薄板挠度分布的影响。     

损伤弹性薄板的弯曲

通过损伤弹性薄板的变分方法,推导了损伤弹性薄板弯曲的运动控制方程．选取满足边界条件的挠度函数,采用Ritz法和 Galerkin法,将原问题转化为线性方程组的求解．通过算例分析,得到y=b/2处挠度和损伤随x的变化曲线,结果表明损伤薄板中任一点的位移总是大于无损薄板中的位移．     

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

用杂交边界点法分析简支薄板的热弯曲问题

该文利用杂交边界点法对简支薄板的热弹性弯曲进行了分析计算.采用薄板的热弹性理论,通过薄板的修正变分原理建立了各向同性薄板的边界局部积分方程,域内变量使用基本解插值,而边界上的变量则用移动最小二乘法近似.计算时仅需边界上离散点的信息,无论变量近似还是数值积分都不需要网格,因此该方法是一种纯边界类型无网格方法.数值算例表明,杂交边界点法在分析薄板的热弯曲问题时具有效率高、精度高和收敛性好等优点.     

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。     

基于平面弹性—板弯曲模拟关系的薄板有限元列式——从膜单元到薄板单元

本文全面讨论了基于平面弹性－－板弯曲模拟关系的薄板有限单元的理论和方法,由于直接对弯矩函数进行插值,c1连续性的要求得以自然避免,薄板单元可以直接在c0连续的层面上加以构造,无需借用Reissner-Mindlin的中厚板理论,由之引发的闭锁问题也得以避免,本文系统地阐明了平面弹性膜单元与薄板弯曲单元的对应关系,及由平面弹性膜单元的向薄板弯曲单元转换的一整套方法。为薄板单元的构造提供了一条新的有余的途径,文中给出了对应于平面弹性膜单元CST,LST,Q4,Q8的薄板单元,我们称之为MPS板单元,MPS板元以挠度和转角为自由度,便于实际应用,和其它板单元相比具有非常高的精度。     

斜磁场中矩形铁磁薄板的几何非线性磁弹性行为分析

基于复杂磁场中铁磁介质磁弹性广义变分原理,给出了包含磁场、铁磁薄板几何非线性的一组基本方程,并对斜磁场中铁磁薄板的磁弹性弯曲问题进行了分析．根据铁磁板内磁场分布特点定性分析了铁磁薄板所受磁力的特征,建立了考虑铁磁板磁场端部效应以及耦合非线性、几何非线性的磁弹性有限元模型,数值模拟了铁磁薄板的磁弹性耦合弯曲特性并给出铁磁悬臂、简支薄板随磁场倾角变化的磁弹性弯曲变形特征等,数值结果与定性分析结果吻合良好．     

正交异性钢桥面板轮载横向效应的解析分析方法

在分析正交异性钢桥面板构造特点的基础上,将轮载影响范围内的桥面板简化为弹性支撑的平面框架,建立了正交异性钢桥面轮载横向效应的解析分析模型,推导了纵肋弹性支撑刚度和车轮荷载集度等效计算方法,提出了桥面板与U肋交接位置处横向弯曲应力的解析公式,讨论并明确了影响桥面板横向弯曲应力峰值的关键敏感影响因素,并以某钢箱梁为例证明了本文算法的合理性。研究发现,本文方法计算得到桥面板与U肋相交位置的横向应力值与有限元结果相差不超过10%,证实了本文算法的正确性,也为正交异性钢桥面的初步设计提供了极大的方便;正交异性钢桥面板的横向轮载应力随U肋厚度和高度增加而增大,但随顶板厚度和横隔板间距增大而减小;相对而言,顶板内横向拉应力受顶板厚度的影响最为显著,对腹板倾角和U肋腹板厚度的变化并不敏感。     

基于均匀荷载面曲率的简支裂纹梁损伤识别

为了采用模态参数对结构裂纹进行定位与定量,基于集中柔度模型,采用无质量的扭转弹簧模拟裂纹,建立简支裂纹梁的振动微分方程。针对现有柔度曲率指标仅能判断裂纹的大致范围,基于线性插值理论,建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系,提出裂纹进一步定位公式,实现裂纹位置的精确定位。针对现有大多数损伤识别方法无法实现裂纹的损伤定量,基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系,理论推导了均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法,基于弹簧串联原理和线刚度思想,首次提出串联等效线刚度模型,建立裂纹深度与均匀荷载面曲率的关系,实现裂纹深度的定量。通过简支裂纹梁数值算例,考虑多裂纹的损伤情况,验证了新方法对裂纹定位与定量的有效性。     

Effect of the stiffness and inertia of a rib reinforcement on localized bending waves in semi-infinite strips

This paper reports an analytical and numerical study of localized bending waves in a thin elastic isotropic semi-infinite strip with a rib reinforment. Such waves can be considered as spatially non-uniform bending perturbations localized near free edges, similar to Rayleigh waves decaying exponentially with the distance. From the analysis of localized bending waves in thin elastic structures it may be possible to infer the presence of imperfections, cracks or inclusions, in the structure. In this study, a semi-infinite strip, simply supported on two edges and reinforced on the free one, is considered. A general solution is presented and the conditions under which localized bending waves exist are derived. The mathematical model, accompanied by numerical simulations, reveals that the presence of a reinforcement rib can suppress localized bending waves. This effect is mainly due to the stiffness coming from the rib, rather than from its added inertia terms.     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响,为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元,推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵,其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序,采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态,并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形,结果表明,主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大,且矢跨比越大,主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题,尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥,需要在设计和施工中引起足够的重视。     

特征值摄动法在利用动响应结构小损伤检测中的应用

目前在使用遗传算法或神经网络方法进行结构动力学损伤检测,需要基于少量的在线测量损伤结构数据和大量的数值仿真数据来实现,其中通过有限元方法来获得仿真数据的巨大计算量是动力学结构损伤检测方法发展中所面临的一个重要问题。本文在建模方面应用近年来提出的调整单元刚度模拟损伤的先进方法,以保证在损伤前后结构自由度数目不变;在此基础上应用特征值摄动法来减少损伤检测中计算量,并通过对复合材料层合板响应信号的小波分析验证了使用一阶矩阵摄动在有效降低计算量的同时,可以获得对损伤检测而言足够准确的响应信号。     

双主梁钢板组合连续梁桥翼缘有效宽度及几何构造参数分析

双主梁式钢板组合梁桥,在中小跨径桥梁中有良好的应用前景．由于其钢板主梁间距较大,桥面板正应力在桥横向的分布更加不均匀,剪力滞效应显著．结合工程实例,通过有限元分析,计算了双主梁式钢板组合梁桥的桥面板翼缘有效宽度．为保证桥面板作为主梁受压翼缘的利用率,依据我国现行规范,结合有效宽度计算结果推导了双主梁式钢板组合梁桥主梁间距的计算公式,根据统计资料,对桥梁宽跨比及主梁间距与桥面宽度的比值等几何构造参数进行了初步分析,以期为双主梁钢板组合梁桥构造设计提供参考依据．     

变刚度梁弯曲解析解在桥面板中的应用

针对新型连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁,研究了该桥型桥梁的桥面板拉应力控制方法与措施．将该桥型组合桥梁等效为可变刚度的Euler梁,给出任意横向荷载作用下变刚度梁的静力弯曲解析通解,并得到三跨连续阶梯型变刚度梁变形及其内力分布特征．在此基础上,以三跨连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁为研究对象,考虑下部钢箱梁与上部混凝土桥面板完全剪力连接,通过改变负弯矩区钢箱梁壁厚、内部充填混凝土的强度、长度与高度等参数,分析得到可有效控制桥面板拉应力的关键因素．结果显示：在负弯矩区段内的钢箱梁内部充填混凝土对控制该区域混凝土桥面板拉应力效果明显,但混凝土强度影响较弱．混凝土桥面板开裂区域随钢箱梁中充填混凝土长度的增加而减少,但桥面板顶部拉应力会随混凝土充填高度的增加呈现先减小后增大的趋势,在充填高度为箱梁内部净高的20 %~30 %左右时效果较为显著,此时经济效益最佳．     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。     

薄板弯曲分析的高阶高效无网格法

与传统有限元法相比,无网格法具有节点形函数高度光滑、易于形成高阶近似等优势,更适合于以薄板弯曲问题为代表的高阶偏微分方程的数值求解。然而,高阶无网格法的形函数是非多项式的有理函数,导致弱形式的区域积分难以得到精确计算,通常采用的高阶高斯积分方法需使用大量积分点,计算效率低且精度不高。本文针对薄板弯曲问题的高阶（三阶）无网格法分析,首次发展了与该高阶近似相一致的曲率光顺方案,并基于背景三角形积分单元建立了相应的数值积分格式,大幅度减少了所需的积分点数目。所发展方法的关键在于计算刚度阵所需的形函数的二阶导数由形函数及其一阶导数通过散度定理确定,而非对形函数直接求导获得。数值结果表明,基于标准的高斯积分方案的高阶无网格法精度不高,不能精确再现纯弯曲和线性弯曲模式,且得到的弯矩场分布存在严重的虚假数值振荡。而本文所建议的基于曲率光顺方案的高阶无网格法能够方便高效地求解薄板弯曲问题,尤其是它能精确反映纯弯曲和线性弯曲模式。与标准的高斯积分方法和目前主流的常曲率光顺方法相比,本文方法在计算效率、精度、弯矩分布等方面均展现出显著优势,因而具有较好的应用价值。     

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。