曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

二维系统传递矩阵法

以薄板横向振动的振动特性问题为例提出了二维系统传递矩阵法. 从质点和无质量梁的传递 矩阵出发,建立了按列排列的薄板子结构的传递矩阵. 用二维系统传递矩阵法获得了整个板 的总体传递方程,从而可得到板在任意一种边界条件下的特征方程. 数值求解了两种情况下 薄板横向振动的固有振动特性. 计算结果表明,用该方法可用于研究类似薄板的二维系统的 动力学问题,且无需建立系统的总体动力学方程.     

无单元法分析薄板自由振动问题

提出了分析四边简支和四边固定薄板自由振动问题的无单元法，推导了无单元法的插值函数，从变分原理出发导出薄板自由振动的质量矩阵和刚度矩阵，编制了相应的计算程序，通过计算实例与其它方法的结果进行比较．数值结果表明无单元法具有一系列优点。     

新型p型板单元及其在结构振动分析中的应用

利用Legendre正交多项式作为形函数基底函数,开发了两种新型的通用p型板单元.单元矩阵的解析积分保证了p型有限单元解的精确性及单调收敛性,计算实例表明所开发的p型有限单元计算结果随基底函数中附加项数量的增加而快速收敛,且它们的计算精度远高于一般线性单元.另外,p型板单元不使用缩减积分也能分析薄板的振动问题,利用它们收敛率高的特点,分析了结构破坏的时频特性.p型有限单元仿真结果与实测结果良好的吻合证明了它们用于结构振动响应分析的有效性.     

中厚板弯曲问题的自然单元法

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,基于Reissner-Mindlin板弯曲理论,将自然单元法应用于平板弯曲问题的计算中,给出了相关的公式,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的计算列式.算例分析表明,自然单元法应用于中厚板的弯曲问题具有较高的计算精度,并可用于Winkler地基上基础板的计算.同时指出,对于厚跨比较小的薄板,由于对挠度和中面法线转角采用相同的插值形式,当板厚变薄时夸大了虚假的剪切变形影响,因而表现出剪切自锁现象.对进一步开发厚薄板通用的计算程序作了初步探讨.     

流固耦合的周期加强板的振动及声辐射研究

研究了流体负载下的无穷大双周期加强板, 在周期谐振力作用下的振动响应和声辐射,并提出了一种基于有限元和空间波数法的半解析半数值方法. 首先利用有限元的方法对周期结构进行单元离散, 并将结构对薄板的作用力等效为节点力的作用. 然后通过周期结构的振动方程, 结合薄板与结构的位移边界条件, 建立了节点力与薄板节点位移的函数方程. 最后应用空间波数法和傅里叶变换, 并采用数值计算的方法求解出薄板的节点位移, 得到了周期加强板关于离散节点位移的振动和辐射声压方程. 在数值算例中, 对该方法的正确性进行了验证, 并且分析了周期结构对薄板的振动和声辐射的影响.     

厚薄板通用三角形位移元

本文构造出了一种具有九个自由度的厚薄板通用三角形位移单元，并给出了单元刚度矩阵显式。这种单元以其简洁的常规位移元列式可在相当宽的板厚变化范围内（包括板厚为零）获得很高的计算精度，其结果可与相应的矩形单元相比。而且不会出现剪切自锁。     

中厚板—薄板弹塑性有限元分析

1.引言不少文献研究了薄板的弹塑性有限元分析。文献[1]的第9章以位移等参元为基础讨论了中厚板一薄板的弹塑性分析,这方面目前见到的数值结果不多。本文以通过“单体检验”的“自由公式”为基础导出一种考虑剪切变形的任意四边形弹塑性板弯曲单元体,材料性质采用Von Misses屈服准则。利用板的平衡方程,几何方程和物理关系导出横向剪切变形与板厚的平方的量级成正比,随着板厚减小,剪切变形趋於零,Kirchhoff假设自动满足,所以这种单元体能通用於中厚板以及薄板的弹塑性分析。用增量     

一个厚薄板通用的三角形板弯元

本文提出了一个新的厚薄板通用的三角形板弯元,根据Hellinger-Reissner变分原理推导出来的新单元具有独立的转角、位移、剪应变和弯曲应变的插入函数,它没有其它混合元所存在的一些缺点。一些典型例子表明这个新单元具有很好的特性,刚度矩阵简单,计算精度高,收敛速度快以及厚薄板通用性强。     

用改进型广义协调元分析薄板的振动与稳定

本文在文献[1]和[2]的基础上,将改进型三角形广义协调元TGC-9-1应用于薄板振动和稳定分析中。推导出带有一个内部自由度(外部结点有九个自由度)的三角形板单元的协调质量矩阵和几何刚度矩阵。并通过算例表明,改进型广义协调三角形单元(TGC-9-1)具有良好的性态和更好的精度,程序简便。     

广义协调厚薄通用板单元的动力特性分析

推导了板的有限元运动方程,构造了单元刚度矩阵和考虑转动惯量的单元质量矩阵,并采用 子空间迭代法计算了板的前几阶频率,分析了广义协调厚薄通用板单元ATF-PQ4a的动力特 性,并讨论了转动惯量和剪切变形对固有频率的影响. 结果表明：ATF-PQ4a单元计算结果和 理论解及有限元软件ABAQUS的结果比较吻合,说明在动力学范围内ATF-PQ4a单元能做到厚 薄通用,满足工程需要.     

A theoretical analysis of smart moderately thick shear deformable annular functionally graded plate

Based on Mindlin's plate theory, free vibration analysis of moderately thick shear deformable annular functionally graded plate coupled with piezoelectric layers is presented in this paper. A consistent formulation that satisfies the Maxwell static electricity equation is presented so that the full coupling effect of the piezoelectric layer on the dynamic characteristics of the annular FGM plate can be estimated based on the free vibration results. The differential equations of motion are solved analytically for various boundary conditions of the plate through the transformation of variable method. The applicability of the proposed model is analyzed by studying the effect of varying the gradient index of FGM plate on the free vibration characteristics of the structure. For some specific cases, obtained results were cross checked with those existing literatures and furthermore, verified by those obtained from three-dimensional finite element (3D FE) analyses.     

厚圆板轴对称振动的弹性力学解

本文以轴对称三维弹性力学基本方程为基础,导出厚圆板强迫振动的状态方程式。利用Ｍａｃｌａｕｒｉｎ级数和Ｓｙｌｖｅｓｔｅｒ定理,厚圆板的位移和应力可以用中面位移和应力的微分算子表示。通过载荷分解和圆板表面条件,可以得到厚圆板在对称载荷与反对称载荷作用下的振动控制方程。求解了厚圆板在周边固支和简支条件下的对称与反对称的自由振动问题。通过数值计算得到了这两类自由振动的固有频率。本文的方法适用于求解厚圆板在     

基于应变梯度中厚板单元的石墨烯振动研究

基于应变梯度理论建立了单层石墨烯等效明德林(Mindlin) 板动力学方程,推导了四边简支明德林中厚板自由振动固有频率的解析解. 提出了一种考虑应变梯度的4 节点36 自由度明德林板单元,利用虚功原理建立了单层石墨烯的等效非局部板有限元模型. 通过对石墨烯振动问题的研究,验证了应变梯度有限元计算结果的收敛性. 运用该有限元法研究了尺寸、振动模态阶数以及非局部参数对石墨烯振动特性的影响. 研究表明,这种单元能够较好地适用于研究考虑复杂边界条件石墨烯的尺度效应问题. 基于应变梯度理论的明德林板所获得石墨烯的固有频率小于基于经典明德林板理论得到的结果. 尺寸较小、模态阶数较高的石墨烯振动尺度效应更加明显. 无论采用应变梯度理论还是经典弹性本构关系,考虑一阶剪切变形的明德林板模型预测的固有频率低于基尔霍夫(Kirchho) 板所预测的固有频率.      

Three-dimensional vibrations of annular thick plates with linearly varying thickness

The free vibration of annular thick plates with linearly varying thickness along the radial direction is studied, based on the linear, small strain, three-dimensional (3-D) elasticity theory. Various boundary conditions, symmetrically and asymmetrically linear variations of upper and lower surfaces are considered in the analysis. The well-known Ritz method is used to derive the eigen-value equation. The trigonometric functions in the circumferential direction, the Chebyshev polynomials in the thickness direction, and the Chebyshev polynomials multiplied by the boundary functions in the radial direction are chosen as the trial functions. The present analysis includes full vibration modes, e.g., flexural, thickness-shear, extensive, and torsional. The first eight frequency parameters accurate to at least four significant figures for five vibration categories are obtained. Comparisons of present results for plates having symmetrically linearly varying thickness are made with others based on 2-D classical thin plate theory, 2-D moderate thickness plate theory, and 3-D elasticity theory. The first 35 natural frequencies for plates with asymmetrically linearly varying thickness are compared to the finite element solutions; excellent agreement has been achieved. The asymmetry effect of upper and lower surface variations on the frequency parameters of annular plates is discussed in detail. The first four modes of axisymmetric vibration for completely free circular plates with symmetrically and asymmetrically linearly varying thickness are plotted. The present results for 3-D vibration of annular plates with linearly varying thickness can be taken as benchmark data for validating results from various plate theories and numerical methods.     

Construction of rectangular displacement-based element for thick/thin plates

In this paper, a method of constructing displacement-based element for thick/thin plates is developed by using the technique of generalized compatibility, and a rectangular displacement based element with 12 degrees of freedom for thick/thin plates is presented. This method enjoys a good accuracy with simple formulation and is free of shear locking as the thickness of the plate approaches zero. The project supported by National Natural Science Foundation of China through Grant No. 59208075     

求解不连续中厚板自由振动的微分容积单元法

基于区域叠加原理和微分容积法，发展了一种新型的数值方法——微分容积单元法，用以分析具有不连续几何特征的中厚板的自由振动。根据板的不连续情况将其划分为若干单元，在每个单元内用微分容积法将控制微分方程离散成为一组线性代数方程．在相邻的单元连接处应用位移连续条件和平衡条件，引入边界约束条件后得到一套关于各配点位移的齐次线性代数方程，由此可导出求解系统固有频率的特征方程。本文用子空间迭代法求解特征方程，并以开孔板、混合边界条件板和突变厚度板为例研究了方法的收敛性和计算精度。     

基于有限条带的厚/薄板矩形通用单元

基于两广义位移梁理论，利用解析试函数来建立厚／薄梁单元的横向位移、转角位移、曲率、剪应变等位移模式，构造出厚／薄梁通用单元．应用有限条带，将厚／薄梁单元的位移模式应用于厚／薄板矩形弯曲单元，直接构造出单元的横向位移、转角、曲率、剪应变，导出了单元的刚度矩阵和结点等效力，编制了计算程序，进行了数值计算和比较，结果表明，所研究的单元不出现剪切闭锁且精度较好．