裂纹对两端固定的圆柱薄壳振动特性影响的试验研究

裂纹使弹性体产生新的自由边界,引起刚度降低,从而导致固有频率和屈曲临界载荷等力学特性发生变化。冈村弘之在分析裂纹对梁的固有频率影响时采用了弹性铰的力学模型,计算结果与试验较符合。等用Ritz法研究了悬臂板上不同位置的裂纹对固有频率与振型的影响,由沙型确定节线位置,发现随裂纹增长固有频率不断地降低。本文进一步研究不同方向的裂纹对两端固定的圆柱薄壳弯曲振动固有频率及振型的影响,采用全息摄影记录振型。     

反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂两种失稳破坏之判据探讨

对反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂的失稳破坏判据,已有研究分别基于两种力学模型进行推导,即竖直压杆弹性屈曲稳定和平直梁弯折破坏模型,但对层间错动阻力及挠度产生附加弯矩等因素未加以考虑,不尽合理。在反倾斜坡岩层受力分析基础上,建立考虑了板侧层间错动阻力的下端嵌固、上端自由的斜置等厚弹性悬臂板梁模型,统一地通过瑞利-里兹能量方法,推导了弹性屈曲临界条件和嵌固端弯折破坏临界条件。实例计算及讨论表明,弹性屈曲判据适用于陡立岩层;而中-陡反倾岩层应主要为弯折破坏,但层间的力学性质对弯折临界判据值具有较大影响。     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大     

铁磁梁式板磁弹性初始后屈曲及缺陷敏感性分析

从铁磁板的磁弹性广义变分原理出发，通过对铁磁板内外的磁场和板变形 场的摄动技术以及采用经典Koiter理论，对横向磁场中铁磁悬臂、简支、固支梁式薄 板磁弹性稳定性的初始后屈曲行为及缺陷敏感性进行了定性研究. 解析地给出了悬臂板对初 始缺陷敏感，简支和固支板对初始缺陷不敏感等结果，对悬臂梁式板理论预测的临界磁场值 往往大于实验观测结果的现象从定性上给予了合理解释.     

考虑尺寸效应板梁的磁弹性屈曲

研究表明,有限尺寸效应是影响板——梁磁弹性稳定性分析精度的主要原因。本文用边界元法分析了板边沿的磁感强度集中,然后用里兹法计算了软铁磁材料悬臂板——梁的临界屈曲磁场。通过和Moon-Pao的理论和实验结果以及Miga的有限元结果比较,表明本方法具有良好的精度,且计算方法简便。     

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.     

基于能量法的载流单层碳纳米管振动特性研究

以非局部弹性理论为基础,考虑了碳纳米管的小尺度效应;采用欧拉-伯努利梁模型,基于能量法给出了载流单层碳纳米管的振动频率近似解;并通过具体算例,应用振动频率近似解公式求解了悬臂单层纳米管的频率值,进而研究了管内流体流速、碳纳米管小尺度参数对悬臂梁一阶振动频率及振型的影响,并将得到的结论与已有文献的结果进行比较,证明了振动频率近似解的正确性。     

双材料梁界面力学及其应用:综述

双材料结构在工程中得到了广泛应用,如薄膜涂层、压电材料、复合材料层合板和夹层板、粘结接头、FRP加固混凝土结构等;然而,这些结构的破坏通常是从界面及其附近开始的.通常利用损伤力学的方法(材料强度的方法)来预测裂纹的萌生,利用断裂力学的方法来预测裂纹的扩展;因此,开展双材料结构的界面应力分析和具分层双材料结构的断裂以及相关分析是至关重要的.首先介绍双材料梁粘结界面应力分析的基本模型,从而为预测裂纹的萌生提供了有力工具.然后综述双材料梁界面断裂力学分析的基本方法,并详细介绍解析解求解的裂纹尖端法及其相关模型,重点强调裂纹尖端变形对分析结果的影响.最后介绍界面分层对双材料结构其它力学特性的影响,例如屈曲和振动特性.     

含裂纹梁参数的谐响应识别

主要研究含裂纹梁在简谐激励作用下的动力特性,提出一种依据幅值变化对裂纹参数进行识别的新方法。首先,在振动过程中考虑裂纹的呼吸特性,以悬臂梁为例建立含裂纹梁的二维有限元模型,指出在一般激励频率下,其对应的幅值均是明显信号,可用来描述裂纹梁的动力特性。其次,当激励频率分别取无裂纹梁一阶频率的1/4和二阶频率的1/4时,幅值随裂纹参数的变化明显不同,可依据响应幅值的变化对裂纹参数进行识别。然后,利用曲面拟合技术绘出幅值变化曲面,对未知参数的裂纹进行识别,验证了该方法的有效性,并归纳出利用幅值变化对任意裂纹参数进行识别的基本步骤。最后,针对无裂纹梁频率计算可能存在误差的情况,分析识别方法的鲁棒性,结果显示即使最大误差为10%,该方法也能对裂纹参数进行准确识别。     

复合材料Ⅰ型层间断裂韧性GIC和初始裂纹长度

从经典梁理论和弹性基础上的正交各向异性梁理论出发，分析了梁的弯曲剪切效应和弹性基础对用双悬臂梁试件测得的复合材料层合板Ⅰ型层间断裂韧性Ｇ＿（ＩＣ）的影响，发现当试件的初始裂纹长度较短时，剪切效应和弹性基础对Ｇ＿（ＩＣ）的影响是显著的，建议将初始裂纹长度取５０毫米。实验结果表明，初始裂纹长度由２０毫米增加到５０毫米时，测得的Ｇ＿（ＩＣ）值的离散系数降低２０％～４０％，数据趋于稳定，分散性减小。     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

论文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统,由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成.在外界低频振动激励下,底部低频S形金属曲梁产生共振,在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁,从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动,解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题.论文建立了压电悬臂梁受迫振动、压电悬臂梁与金属悬臂梁碰撞耦合振动的动力学模型,讨论了压电悬臂梁的电压输出特性.通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率,结果表明当振动加速度为1.0g时,升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW,高于单个压电悬臂梁的最大输出功率.     

考虑轴力二阶效应悬臂梁的支承及裂纹参数识别

建立了轴向压力作用下悬臂裂纹梁边界支承和裂纹损伤程度识别方法．首先,将悬臂梁边界非完整支承等效为竖向和扭转弹簧、梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧,利用Laplace变换,得到了边界弹性支承、考虑轴向压力二阶效应、具有任意裂纹数目Euler-Bernoulli悬臂梁弯曲挠度的解析解．其次,提出了边界弹性支承弹簧柔度和裂纹等效扭转弹簧柔度的识别方法．最后,通过数值试验,考察了轴向压力,裂纹深度以及测量误差等对识别结果的影响,说明了本文考虑轴向压力二阶效应的悬臂梁边界支承弹簧柔度及裂纹等效扭转弹簧柔度识别方法的适用性和可靠性,结果表明：相比于应变测量误差,挠度测量误差对裂纹损伤程度识别结果影响更加敏感,且轴向压力对裂纹损伤程度识别影响较小,因此,应严格控制挠度的测量误差．同时,边界支承扭转弹簧柔度的识别误差大于其竖向弹簧柔度识别误差．这些结果为实际工程中边界非完整支承悬臂裂纹梁的参数识别提供了指导．     

应变模态在含裂纹悬臂板裂纹检测中的应用

基于作者提出的含穿透裂纹板的有限元模型,研究了裂纹存在时悬臂板固有频率随裂纹位置的变化规律;探讨了它与应变模态之间的关系.对悬臂板应变模态的实测结果表明,以应变代替位移或加速度作为观测量对裂纹变化是比较敏感的,并说明了一阶应变模态在悬臂板裂纹检测中的应用.     

前屈曲应力状态对组合加肋旋转壳失稳临界压力影响的探讨

推导了包含前屈曲弯矩和横剪力的旋转壳弹性稳定性基本方程.运用Riccati传递矩阵法对组合加肋旋转壳算例进行了稳定性分析,并与假设前屈曲状态为薄膜应力状态计算出的失稳临界压力进行了比较.结果表明,前屈曲弯矩和横剪力对组合加肋旋转壳失稳临界压力的影响较小,随着壳板厚度和肋骨尺寸的增大及肋骨间距的缩短,影响略有增大.因而,分析组合加肋旋转壳弹性稳定性时,前屈曲状态采用薄膜应力状态的假设是合理的.     

无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题,在工程中有着大量应用.因涉及接触非线性,目前主要采用数值方法对该类问题进行求解,发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战.针对上述问题,本文将板划分为若干包含强制边界条件的板,形成子问题,在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解,通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态;通过迭代求解上述过程,获得子问题划分的收敛结果,并得到最终屈曲载荷及模态.结果表明,无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异,且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响.在此基础上,结合Koiter摄动法与辛方法,对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解,获得板的后屈曲平衡路径.所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好,确认了本文结果的正确性.由于本文方法数学推导严格,求解效率高,因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具,更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.     

厚度效应对梁冲击响应的影响

用一种半解析法——间接模态叠加法,研究了质点与弹性力学梁的冲击问题,这种方法避免了具有未知奇异载荷项的平衡微分方程求解问题。由于可以用解析方法得到简支弹性力学梁的模态函数,并且能够以显式形式给出其频率方程,因此以质点与简支弹性力学梁的冲击问题为例,来考察厚度效应对瞬态响应的影响,并将所得结果与用Timoshenko梁理论所得结果进行了比较,说明了厚度效应在梁冲击问题中的重要影响。讨论了纵波和剪切波对撞击力等动力响应的影响。     

嵌入无限大弹性板中圆板的热屈曲分析

分析了嵌入无限大弹性板中的圆板在变温时的热屈曲问题。由于圆板的热膨胀系数与无限大弹性板的热膨胀系数不同,温度变化时圆板中会产生压应力。当压应力达到其临界值时,圆板会发生热屈曲。首先,基于弹性力学平面应力问题的基本理论,得到圆板和无限大弹性板的应力和位移;然后建立圆板热屈曲的控制微分方程,求得临界屈曲温度的解析解和数值解,着重讨论圆板和无限大弹性板的材料物性参数的关系对圆板临界屈曲温度的影响。     

嵌入无限大弹性板中圆板的热屈曲分析 1)

分析了嵌入无限大弹性板中的圆板在变温时的热屈曲问题。由于圆板的热膨胀系数与无限大弹性板的热膨胀系数不同,温度变化时圆板中会产生压应力。当压应力达到其临界值时,圆板会发生热屈曲。首先,基于弹性力学平面应力问题的基本理论,得到圆板和无限大弹性板的应力和位移;然后建立圆板热屈曲的控制微分方程,求得临界屈曲温度的解析解和数值解,着重讨论圆板和无限大弹性板的材料物性参数的关系对圆板临界屈曲温度的影响。     

基于裂纹扭转弹簧模型的Timoshenko裂纹梁动力特性分析

忽略裂纹对梁剪切变形的影响,基于开裂纹的等效扭转弹簧模型,建立了Timoshenko裂纹梁动力弯曲的控制方程,得到了一种新的裂纹梁动力弯曲控制方程的求解方法,得出了具有任意条裂纹Timoshenko梁自振模态的统一显式表达式。数值分析了简支、悬臂、两端固支Timoshenko裂纹梁的自振频率和振动模态,考察了裂纹数目和裂纹深度等因素对裂纹梁动力特性的影响。结果表明:随着裂纹数目和深度的增加,裂纹梁的自振频率减小,且当裂纹较深时,裂纹深度对自振频率的影响显著;裂纹梁的挠度模态曲线和转角模态曲线在裂纹处分别呈现尖点和跳跃现象,且尖点效应和转角跳跃随裂纹深度的增加而愈加明显。另外,当裂纹处的弯矩为零时,裂纹对梁的自振频率和振动模态没有影响。这些结果可对梁的安全性评估及裂纹损伤检测提供理论指导。     

基于非局部铁木辛柯梁模型的碳纳米管弯曲特性研究

本文基于哈密顿变分原理和非局部连续介质弹性理论,建立了新型非局部铁木辛柯梁模型(ANT),推导了碳纳米管的ANT弯曲平衡方程以及两端简支梁、悬臂梁和简直-固定梁的边界条件表达式,分析了剪切变形效应和非局部微观尺度效应对碳纳米管(CNT)弯曲特性的影响.数值计算结果显示,碳纳米管的弯曲刚度随着小尺度效应的增强而升高.其次,这种小尺度效应对自由端受集中力的悬臂梁碳纳米管有明显作用,其刚度变化规律和其它约束条件的碳纳米管一样,这一点是ANT模型区别于普通非局部纳米梁模型的主要特点.经分子动力学模拟验证,ANT模型是合理分析碳纳米管力学特性的有效方法.