风力发电塔的自振特性分析

将风力发电塔视为带有附加质量的变截面悬臂梁,进行横向振动的自振特性分析.采用直接模态摄动法建立风力发电塔自振特性的近似求解方法,与采用梁单元模型和壳单元模型的有限元法的计算结果相比较.数值计算结果表明直接模态摄动法具有较好的精度,形成了半解析解形式.     

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.     

风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法

本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量,塔筒简化为非均匀悬臂梁,建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数,如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量,便可快速求解其频率和模态,无需建立其复杂的力学模型．     

局部损伤梁动力问题的近似计算方法

应用模态摄动法求解局部损伤梁动力特性。这一方法是在无损伤梁的模态子空间内实施,将含局部损伤梁的微分方程的求解转化为代数方程求解。通过算例,表明这一方法可有效的简化计算,同时计算结果具有较高的精度。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

随机结构动力特性分析格林函数法

在考虑材料参数和几何参数小变异情况下,采用一阶近似方法将随机杆件动力特性分析的控制微分方程分解为关于动力特性均量和偏量的两组控制微分方程,然后利用这两组方程在形式上与静力问题控制微分方程的相似性,采用静力问题基本解以及域外布设虚荷载方法和多域耦合技术,提出了随机结构动力特性分析格林函数法.从数值算例可以看出,在小变异情况下,本文方法的结果与Monte-Carlo法的结果相当吻合,计算精度较高;在计算效率方面,本文方法的计算量远少于摄动随机有限元法的计算量.     

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

旋转悬臂梁的挠曲线函数

为了解决旋转悬臂梁的挠曲线函数的计算问题,本文联合应用d'Alembert原理和Bernoulli-Euler方程建立了重力场中旋转悬臂梁的挠曲线微积分方程;在此基础上,采用Rayleigh-Ritz法求得了这类梁的挠曲线解析函数。最后,应用该函数具体计算了一悬臂梁以不同角速度旋转时的挠曲线形状,从中归纳出旋转悬臂梁的弯曲变形随着其角速度的增大而减小的结论。     

含双裂纹圆截面悬臂梁的损伤识别研究

裂纹的萌生和扩展直接影响构件的振动响应,对构件的安全可靠性具有重要影响．本文以圆截面悬臂梁为对象,结合转角模态振型和模态频率等高线,研究了一种双裂纹识别技术．首先,基于应力强度因子和卡氏定理推导了无裂纹梁单元和含裂纹梁单元的刚度矩阵;在此基础上,建立了含裂纹圆截面悬臂梁的有限元动力学方程;然后,结合裂纹对梁转角模态振型和模态频率的影响,提出了双裂纹识别策略．最后,通过算例讨论了双裂纹识别策略的可行性．结果表明,圆截面悬臂梁的模态转角在裂纹位置出现突变,裂纹深度越大转角突变值越大;将识别出的裂纹位置作为已知参数,通过模态频率等高线法,可以准确地识别出双裂纹的深度．     

基于正交分解的多层小开口剪力墙洞口优化布置

洞口位置和宽高比对剪力墙的受力特性有着显著的影响,洞口的优化布置对开洞剪力墙的抗震设计是十分重要的。本文基于变形的正交分解与振型分解理论,以剪切变形为主区域最小为目标,以剪力墙侧移值、线刚度和洞口尺寸规范限值为约束条件,建立了多层小开口剪力墙优化模型;在开洞率一定的条件下,采用分步优化的方法,得到了规则小开口剪力墙洞口最优布置的一般解,即首先应尽量沿中线对称布置洞口,其次洞口的宽高比应尽量采用满足设计要求的下限值。     

Transient wave analysis of a cantilever Timoshenko beam subjected to impact loading by Laplace transform and normal mode methods

This study applies two analytical approaches, Laplace transform and normal mode methods, to investigate the dynamic transient response of a cantilever Timoshenko beam subjected to impact forces. Explicit solutions for the normal mode method and the Laplace transform method are presented. The Durbin method is used to perform the Laplace inverse transformation, and numerical results based on these two approaches are compared. The comparison indicates that the normal mode method is more efficient than the Laplace transform method in the transient response analysis of a cantilever Timoshenko beam, whereas the Laplace transform method is more appropriate than the normal mode method when analyzing the complicated multi-span Timoshenko beam. Furthermore, a three-dimensional finite element cantilever beam model is implemented. The results are compared with the transient responses for displacement, normal stress, shear stress, and the resonant frequencies of a Timoshenko beam and Bernoulli–Euler beam theories. The transient displacement response for a cantilever beam can be appropriately evaluated using the Timoshenko beam theory if the slender ratio is greater than 10 or using the Bernoulli–Euler beam theory if the slender ratio is greater than 100. Moreover, the resonant frequency of a cantilever beam can be accurately determined by the Timoshenko beam theory if the slender ratio is greater than 100 or by the Bernoulli–Euler beam theory if the slender ratio is greater than 400.     

提高强冲击荷载作用下平板式防护门门框墙抗力的方法

在强冲击波荷载作用下门框墙转角处会产生明显的应力集中,影响门框墙体系甚至整个防护结构的安全。为解决该问题,提出在迎爆面门框墙和衬砌结合部位设置薄弱层的构造方法,从而减小冲击荷载引起的过大的拉应力。运用考虑了剪切变形的悬臂梁理论分析表明,梁端部约束刚度的变化可以影响结构的破坏形态以及结构的内力分布,降低端部的约束刚度可以有效降低端部区域的内力峰值,延缓结构发生破坏的时间。利用有限元模拟的方法,分析了在出入口门框墙位置设置薄弱层对门框墙动力响应和破坏规律的影响。分析结果表明,设置薄弱层可以有效降低门框墙转角处的应力,降低门框墙结构破坏的风险,进而提高门框墙的抗力水平。     

端头带有质量块的悬臂梁在冲击载荷下的两种剪切失效模型

剪切失效是强动载荷作用下结构失效的重要模式。本文给出了计及梁的转动惯量时端头带有质量块的悬臂梁结构受到冲击载荷作用后发生剪切失效的无量纲判据。分析表明，在初始速度间断面上是否发生剪切失效取决于质量块初始动能和质量块尺寸与梁厚之比，而与梁的长度无关。梁的转动惯量对于剪切失效具有不可忽略的影响。     

钢筋混凝土双肢剪力墙静力弹塑性分析

建立了由墙肢单元模型、连粱单元模型和连接单元模型组成的钢筋混凝土双肢剪力墙的静力弹塑性分析计算模型。墙肢单元采用以有限元为基础的宏模型;按是否出现对角线剪切破坏,分别建立短连粱计算模型和长连粱计算模型;为计及连粱与墙肢连接界面的相对位移,建立用复合弹簧模拟的连接单元计算模型;给出了确定模型参数的方法。对有关文献的短连粱和长连粱双肢剪力墙试件进行了静力弹塑性分析,分析结果与试验结果符合较好。     

基于裂纹附加模态Timoshenko梁的裂纹损伤识别

将梁中横向裂纹等效为无质量扭转弹簧，并忽略其对梁剪切变形的影响，得到的具有任意裂纹数目Timoshenko 梁自振模态的统一显示解析表达式．将裂纹梁的自振模态分为基本模态和裂纹附加模态，利用最小二乘拟合，建立了利用裂纹附加模态函数的梁裂纹损伤识别方法．通过数值模拟开展了简支单裂纹梁以及悬臂和固支双裂纹梁等的裂纹损伤识别，考察了测量误差对损伤识别的影响，数值结果表明本文所提出的裂纹损伤识别方法对裂纹位置的识别精度高于对裂纹损伤程度的识别精度；随着测量误差的增加，裂纹位置及裂纹损伤程度的识别误差增加，但仍在可接受的范围内，故该裂纹损伤识别方法在实际工程中具有一定的应用价值．     

考虑液面波动和液体压缩时一侧受液作用悬臂梁的横振分析

本文分析一侧部分受有液体作用悬臂梁的横向自由振动，同时考虑了液面波动和液体可压缩性对悬臂梁自振特性的影响。利用一组广义三角级数的正交完备性，求得了悬臂梁与液体耦联振动的振型函数和频率方程的精确解析解，最后给出了几个数值算例。     

动能梯度环形截面梁的横向自由振动

对功能梯度材料制成的环形截面梁,假设材料的物性参数沿壁厚方向按幂率变化,基于Lagrange函数和Hamilton 原理,建立了该梁横向自由振动的Hamilton 对偶方程组. 采用辛方法求解了Hamilton 矩阵的辛本征问题,得到了简支、两端固定、悬臂和左端固定右端铰支4 种约束的FGM(functionally gradedmaterials)环形截面梁的固有频率和振型函数. 算例给出了这4 种约束的FGM 环形截面梁前8 阶无量纲固有频率随材料体积分数的变化规律,分析了材料体积分数对FGM 环形截面梁固有频率的影响.     

Analytical test functions for free vibration analysis of rotating non-homogeneous Timoshenko beams

In this paper, the governing equations for free vibration of a non-homogeneous rotating Timoshenko beam, having uniform cross-section, is studied using an inverse problem approach, for both cantilever and pinned-free boundary conditions. The bending displacement and the rotation due to bending are assumed to be simple polynomials which satisfy all four boundary conditions. It is found that for certain polynomial variations of the material mass density, elastic modulus and shear modulus, along the length of the beam, the assumed polynomials serve as simple closed form solutions to the coupled second order governing differential equations with variable coefficients. It is found that there are an infinite number of analytical polynomial functions possible for material mass density, shear modulus and elastic modulus distributions, which share the same frequency and mode shape for a particular mode. The derived results are intended to serve as benchmark solutions for testing approximate or numerical methods used for the vibration analysis of rotating non-homogeneous Timoshenko beams.     

Exact dynamic solutions to piezoelectric smart beams including peel stresses Part II: Numerical results,comparison and approximate solution

This work presents numerical results for the exact dynamic solution of piezoelectric (PZT) smart beams including peel stresses, which was developed in Part I. Numerical results are presented in details for frequency spectra, natural frequencies, normal mode shapes, harmonic responses of the shear and peel stresses, and sensing electric charges for a cantilever beam with a bonded PZT patch to the clamped end. The exact dynamic solution can provide useful data for benchmarking other methods. The numerical results of the present model including peel stresses (PSM) are also compared with those obtained using the shear lag beam model and the shear lag rod model. On the basis of the equivalent forces derived in the static analysis, simple approximate dynamic solutions are obtained and compared with the exact solutions, and then the application and limitation of the simple approximate solutions are investigated. By comparing numerical results predicted by the present PSM model with the shear lag models and the approximate solutions based on the static equivalent forces, effects of the dynamic shear and peel stresses on natural frequencies and dynamic responses of the smart structures are examined.