考虑弯扭形变的薄壁箱形梁的非线性后屈曲

在大位移和扭转的前提下,通过一中等弯曲扭转的位移场描述了薄壁箱形梁在偏心载荷作用下的静稳定性问题.该非线性公式可用于分析简支薄壁箱形梁在不同载荷作用下的屈曲和后屈曲行为.采用伽辽金方法将非线性微分系统离散,并通过牛顿-拉普森增量迭代法求解得代数方程组.数值计算结果表明,当前屈曲位移不可忽略时,经典的横向屈曲预测是保守的...     

弯管结构塑性极限分析的数值方法及应用

从塑性极限分析数值计算的角度,分析了多组载荷联合作用下弯管结构的塑性极限承载能力。为了克服塑性极限上限分析中目标函数非线性非光滑所导致的数值困难,提出了一种弯管结构塑性极限上限分析的无搜索优化迭代算法;采用一种改进的弯管单元并利用加载路径的径向射求解方案处理多组载荷系统。通过对典型弯管结构进行塑性极限分析得出了一些有价值的结论。     

类Pade逼近方法在二维非线性振动系统的应用

提出一种求解强非线性系统同异宿轨道解析解的改进类Pad\'{e}逼近方法, 该方法在分析带有扰动参数的系统时无需预先限定参数的取值范围. 首先研究了具有三次非线性项的系统,分析其产生同宿或异宿轨道时参数的取值范围, 分别提出直接体现参数的同宿及异宿解的设解通式, 据此获得了一类强非线性下的自治系统方程的同宿及异宿解. 其次, 对于非自治系统, 研究了具有三次非线性项系统的强迫振动, 直接考虑扰动参数对整个系统的影响, 得到了满足同(异)宿边界条件的周期解. 最后, 构造了两种不同形式的异宿解, 从而减少了保守系统异宿解的计算量. 借助数值模拟验证了该方法的有效性及精确性.      

非保守力下温度场中FGM圆板的非线性力学行为

研究了温度场中非保守功能梯度材料(FGM)圆板的非线性力学行为.基于经典板理论,推导了受非保守力作用的FGM圆板在温度场中的控制微分方程.采用打靶法分析了由陶瓷二氧化锆和金属钛合金两相材料组成的非保守FGM圆板在均匀和非均匀升温场中的非线性力学行为.给出了不同均匀升温和非均匀升温场下,FGM圆板在非保守载荷作用下的平衡...     

转子-轴承系统的非线性分析和计算

对于非稳定载荷下滑动轴承的轴心轨迹计算,霍兰德(Holland)解的方法已在德国广泛应用.本文在霍兰德解的方法基础上,提出了一种新的非线性分析和计算方法。作为计算实例,对全周圆柱轴承支承单质量对称柔性转子系统的计算结果与染谷常雄(Someya)的结果进行了比较,两者基本相符.但本文提出的方法比染谷常雄的方法简捷,可望能较容易地推广到任意滑动轴承支承转子系统的非线性分析和计算中去。     

功能梯度材料扁锥壳的热弹性大变形分析

研究了功能梯度材料扁薄锥壳在横向非均匀升温场中的几何非线性大变形问题.基于von Kármán几何非线性理论推导出了以中面位移为基本未知量的功能梯度扁薄锥壳在横向非均匀热载荷作用下的轴对称大挠度控制方程.采用打靶法数值求解所得非线性常微分方程边值问题,得到了锥壳的大挠度弯曲变形数值解.给出了锥壳的变形与其形状参数、载荷和材料参数等变化的特征关系曲线,分析和讨论了温度参数和材料梯度变化参数对变形的影响.     

轴对称非均匀圆柱壳非线性屈曲的一般解

在文献[7]和[11]的基础上,本文提出了一个新的方法,用于计算轴对称非均匀圆柱壳在任意轴对称荷载和边界条件下的非线性屈曲的临界载荷,并导出这个问题的一般解,最后仅需求解一个非线性代数方程,该方程可用解析形式表达,本文提出的方法,具有计算速度快,容易处理各种边界条件和载荷,简便等优点。三个算例表明,利用本文的方法可获得满意的结果。     

一类非线性系统载荷识别的组合迭代法

针对一类非线性系统提出了一种新的载荷识别方法,组合迭代法.该方法通过有限元方法和主动控制方法组合迭代来实现一类非线性系统的载荷识别.首先将非线性系统的有限元模型模态缩减成简化模型,由简化模型组成主动控制的被控对象;然后在选定的控制律下,设计控制调节器,使该系统监测点的响应功率谱密度达到预定谱,从而得到系统激励,即被识别的载荷;最后由非线性有限元响应验证载荷的合理性.对圆锥壳-包带组合系统载荷识别的数值研究表明了组合迭代法的有效性.该方法为导弹、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天航空结构振动试验的载荷识别提供指导作用,将促进航天航空事业的发展.     

大转动曲边柱壳非线性3-D动力学建模及分析

对曲边柱壳受轴向非均匀内压作用下的大转动几何非线性3-D动力学行为进行了研究,给出了一套高效三维动力学建模与数值求解方法.基于结构静动态变形关系,采用Lagrange方程推导建立了曲边柱壳多自由度三维动力学方程,通过线性化和降阶处理获得了曲边柱壳3-D动态膨胀数值解,与LS-DYNA有限元方法求解结果一致.计算结果表明:曲边柱壳动态响应行为与内压载荷轴向分布形式关系紧密,可以通过改变内压轴向分布形式来控制结构的动态变形模式;同时发现时间步是影响论文方法计算精度的重要因素.论文研究为后续含曲边柱壳复杂系统动力学响应研究提供了参考.     

非保守力作用下简支梁在屈曲附近的自由振动

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

Penalty finite element method for nonlinear dynamic response of viscous fluid-saturated biphase porous media

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｍｏｄｅｌｓｄｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍｍｉｘｔｕｒｅｔｈｅｏｒｙａｒｅａｔｔｒａｃｔｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎｏｆｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｂｅｃａｕｓｅｉｔｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｒａｍｅｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｍｅｃｈａｎｉｃｓ[1]ａｎｄｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｕｓｅｄｔｏｄｅｐｉｃｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｓｏｉｌｓａｎｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｆｔｔｉｓｓｕｅｓ[2 ,3].Ｗｉｔｈｔｈｉｓｔｙｐｅｏ…     

Dynamic response of a deepwater riser subjected to combined axial and transverse excitation by the nonlinear coupled model

In offshore engineering long slender risers are simultaneously subjected to both axial and transverse excitations. The axial load is the fluctuating top tension which is induced by the floater’s heave motion, while the transverse excitation comes from environmental loads such as waves. As the time-varying axial load may trigger classical parametric resonance, dynamic analysis of a deepwater riser with combined axial and transverse excitations becomes more complex. In this study, to fully capture the coupling effect between the planar axial and transverse vibrations, the nonlinear coupled equations of a riser’s dynamic motion are formulated and then solved by the central difference method in the time domain. For comparison, numerical simulations are carried out for both linear and nonlinear models. The results show that the transverse displacements predicted by both models are similar to each other when only the random transverse excitation is applied. However, when the combined axial dynamic tension and transverse wave forces are both considered, the linear model underestimates the response because it ignores the coupling effect. Thus the coupled model is more appropriate for deep water. It is also found that the axial excitation can significantly increase the riser’s transverse response and hence the bending stress, especially for cases when the time-varying tension is located at the classical parametric resonance region. Such time-varying effects should be taken into account in fatigue safety assessment.     

NON-CONSERVATIVE NONLINEAR RIGID-ELASTIC-LIQUID- CONTROL COUPLING ANALYTICAL DYNAMICS AND ITS APPLICATIONS$^{\bf 1)}$

非保守非线性刚-弹-液-控耦合分析动力学是与航天动力学和多体动力学相关的重要研究课题之一, 研究这一理论和应用课题具有重要理论意义和实际应用价值. 本研究建立了非保守非线性两类变量的刚-弹-液-控耦合分析动力学的Hamilton型拟变分原理, 并以该Hamilton型拟变分原理的泛函为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的特点. 借助于Lagrange-Hamilton体系, 从Hamilton型拟变分原理出发推导出非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程, 并应用该Lagrange方程推导出系统的控制方程. 进一步以该控制方程为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的机理. 从两个方面概要地研究了非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程的应用: 一方面, 应用该Lagrange方程建立了相应的有限元计算模型, 分析了这类计算模型的优越性; 另一方面, 应用系统的控制方程对实际问题进行解析的分析讨论, 说明了应用解析的分析讨论来研究问题与应用数值的、定量的分析方法来研究问题的互补特性. 最后, 讨论了几个相关的问题.     

非保守非线性刚-弹-液-控耦合分析动力学及其应用研究

非保守非线性刚-弹-液-控耦合分析动力学是与航天动力学和多体动力学相关的重要研究课题之一, 研究这一理论和应用课题具有重要理论意义和实际应用价值. 本研究建立了非保守非线性两类变量的刚-弹-液-控耦合分析动力学的Hamilton型拟变分原理, 并以该Hamilton型拟变分原理的泛函为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的特点. 借助于Lagrange-Hamilton体系, 从Hamilton型拟变分原理出发推导出非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程, 并应用该Lagrange方程推导出系统的控制方程. 进一步以该控制方程为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的机理. 从两个方面概要地研究了非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程的应用: 一方面, 应用该Lagrange方程建立了相应的有限元计算模型, 分析了这类计算模型的优越性; 另一方面, 应用系统的控制方程对实际问题进行解析的分析讨论, 说明了应用解析的分析讨论来研究问题与应用数值的、定量的分析方法来研究问题的互补特性. 最后, 讨论了几个相关的问题.      

Nonlinear network modeling of multi-module floating structures with arbitrary flexible connections

Multiple floating modules connected by flexible connectors can be viewed as a network structure. A standard modeling process for multi-module floating structures in arbitrary topology is presented by using network theory. A three-dimensional model is developed using the linear wave theory, dynamic model of single floating module, constitutive model of flexible connectors and model of a mooring system. As a typical application, a floating airport model is established and further its nonlinear dynamic responses and connector loads are analyzed. Numerical results show that the traditional linear analysis may underestimate the actual results. The methodology applied in this paper is extensible to many engineering problems with network structures alike.     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

基于势流理论的内孤立波与立管作用数值研究

内孤立波是一种发生在水面以下的在世界各个海域广泛存在的大幅波浪, 其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对以海洋立管为代表的海洋结构物产生严重威胁, 分析其传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律对于海洋立管的设计具有重要意义. 本文基于分层流体的非线性势流理论, 采用高效率的多域边界单元法, 建立了内孤立波流场分析计算的数值模型, 可以实时获得内孤立波的流场特征. 根据获得的流场信息, 采用莫里森方程计算内孤立波对海洋立管作用的载荷分布. 将内孤立波流场非线性势流计算模型与动力学有限元模型结合来求解内孤立波作用下海洋立管的动力响应特征, 讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响. 发现随着内孤立波波幅的增大, 海洋立管的流向位移和应力明显增大. 由于上层流体速度明显大于下层, 且在所研究问题中拖曳力远大于惯性力, 因此管道顺流向的最大位移发生在上层区域. 顶张力通过改变几何刚度阵的值进而对立管的响应产生明显影响. 对于弱约束立管, 内部流体的密度对管道的流向位移影响较小.      

Nonlinear dynamic response of piezoelastic laminated plates considering interfacial damage effects

This paper presents a nonlinear model for cross-ply piezoelastic laminated plates containing the damage effect of the intralayer materials and interlaminar interfaces. The model is based on the general six-degrees-of-freedom plate theory, the discontinuity of displacement, and electric potential on the interfaces are depicted by three shape functions, which are formulated according to solutions about three equilibrium equations and conservation of charge. By using the Hamilton variation principle, the three-dimensional nonlinear dynamic equations of piezoelastic laminated plates with damage are presented. Then using the finite difference method and the Newmark scheme, an analytical solution is presented. In numerical examples, the effects of different damage models, damage evolution, amplitude and frequency of electric loads on the nonlinear dynamic response of piezoelectric laminated plate with interfacial imperfections are investigated.     

Governing equations and numerical solutions of tension leg platform with finite amplitude motion

It is demonstrated that when tension leg platform （TLP） moves with finite amplitude in waves, the inertia force, the drag force and the buoyancy acting on the platform are nonlinear functions of the response of TLP, The tensions of the tethers are also nonlinear functions of the displacement of TLP. Then the displacement, the velocity and the acceleration of TLP should be taken into account when loads are calculated. In addition, equations of motions should be set up on the instantaneous position. A theo- retical model for analyzing the nonlinear behavior of a TLP with finite displacement is developed, in which multifold nonlinearities are taken into account, i.e., finite displace- ment, coupling of the six degrees of freedom, instantaneous position, instantaneous wet surface, free surface effects and viscous drag force, Based on the theoretical model, the comprehensive nonlinear differential equations are deduced. Then the nonlinear dynamic analysis of ISSC TLP in regular waves is performed in the time domain. The degenerative linear solution of the proposed nonlinear model is verified with existing published one. Furthermore, numerical results are presented, which illustrate that nonlinearities exert a significant influence on the dynamic responses of the TLP.