功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)是由两种或两种以上性能各异的材料组合而成,通过改变其体积分数来改变结构沿某一方向的性能,以实现结构不同位置的功能需求[1 ] 。由于FGM在材料界面处的力学性能过渡平滑,能消除不必要的界面应力,为解决热障问题提供了有力的帮助,因此其性能优于由两种离散材料粘结在一起的复合增强材料,被研究人员广泛关注。这种固有的材料性能不均匀性给力学分析带来了很大的困难,以往针对各向同性、均匀材料引入和发展的力学概念和建模理论等已不再适用,需要进行探索和创新。由FGM制成的旋转叶片,如太阳能帆板、风力发电机叶片及航空发动机叶片等,其动力学特性必然有别于传统均质材料。因此研究该类结构在不同材料组分和梯度分布规律下的动力学特性,将为工程应用设计出理想的功能梯度材料提供理论指导,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点。自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究。刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比。Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响。Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题。Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题。Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应。Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象。刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析。Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模。Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析。Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应。Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析。吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比。Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析。杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处。然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见。
本文采用无网格径向基点插值法[20 -21 ] 描述板的变形场,考虑材料非均匀性以及横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项,利用浮动坐标系法[22 ] ,基于一阶剪切变形理论,运用第二类拉格朗日方程建立了作旋转运动FGM矩形板的动力学方程。研究了作旋转运动功能梯度材料矩形板的动力学行为随功能梯度指数、转速、板纵横比的变化情况。同时对匀速转动的中心刚体与FGM矩形板系统自由振动固有频率的频率转向问题进行了研究。
1 动力学建模
1.1 功能梯度材料
功能梯度材料通常是由两种材料混合而成,一种是陶瓷,一种是金属。对于FGM矩形弹性板而言,假定其板上表面为陶瓷,下表面为金属,两表面的中间部分由这两种材料组合物构成。本文FGM矩形板的材料表示如下:弹性模量$E(z)$,材料的密度$\rho (z)$,泊松比$\mu (z)$,可由下式表示[23 ]
(1) $\begin{eqnarray} \left. \begin{array}{l} P=(P_{\rm c} -P_{\rm m} )V+P_{\rm m} \\ V=\left(\dfrac{z}{h}+\dfrac{1}{2}\right)^{N} \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
式中$P$代表FGM矩形板某一位置的物理特性$E(z)$,$\rho(z)$,$\mu(z)$,$P_{\rm c} $和$P_{\rm m}$分别代表FGM矩形板上表面$z=h/2$和下表面$z=-h/2$陶瓷材料和金属材料的物理特性,$h$为板厚度,$V$代表陶瓷材料的体积分数,$N(N\geqslant0)$为FGM从上表面过渡到下表面的梯度指数。
1.2 运动学描述
图1 为在空间中作大范围运动的FGM矩形板模型。其中$O$-$XYZ$为惯性坐标系,$o$-$xyz$为连体坐标系,且连体坐标系所在平面$x$-$o$-$y$与FGM板未变形前中面重合,$\mathbf e_{1}$,$\mathbf e_{2} $,$\mathbf e_{3}$分别为连体坐标三个坐标轴的单位矢量。FGM板长为$L$,宽为$H$,厚度为$h$,密度为$\rho(z)$,弹性模量为$E(z)$,泊松比为$\mu (z)=\mu_{\rm c} =\mu_{\rm m}=\mu $。
图1
$R$为中心刚体半径,$\mathbf r_0$为连体坐标系原点在惯性坐标系中的矢径, $\mathbf \rho_0$为点$P_0$在连体坐标系中的位置。现假定$P_{0}$点为矩形板变形前板内任意一点,变形后为$P$,变形矢量为$\mathbf u$,在连体坐标系下的分量为($u_{1} $,$u_{2} $,$u_{3} )$。其中纵向位移$u_{1}$,$u_{2} $可表示为
(2) $\begin{eqnarray} \left. \begin{array}{l} u_{1} =w_{1} -\dfrac{1}{2}\displaystyle\int_0^x {\left( {\dfrac{\partial u_{3} }{\partial \xi }} \right)^{2}{\rm d}\xi +z\varphi_{x} } \\[3mm] u_{2} =w_{2} -\dfrac{1}{2}\displaystyle\int_0^y {\left( {\dfrac{\partial u_{3} }{\partial \eta }} \right)^{2}{\rm d}\eta +z\varphi_{y} } \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
式中,$w_{1} $和$w_{2}$分别为板中面沿$x$和$y$方向的实际伸长量,而$-\dfrac{1}{2}\displaystyle\int_0^x {\left({\dfrac{\partial u_{3} }{\partial \xi }} \right)^{2}{\rm d}\xi } $和$-\dfrac{1}{2}\displaystyle\int_0^y {\left( {\dfrac{\partial u_{3} }{\partial \eta }}\right)^{2}{\rm d}\eta } $是由板的横向变形引起的纵向缩短量,即二次耦合变形量,而传统的零次模型是建立在结构动力学小变形假设上,即舍去该项。$\varphi_{x} $和$\varphi_{y}$分别为横截面相对于$y$轴和$x$轴的转角。在浮动坐标系下
(3) $\begin{eqnarray} \left. {\begin{array}{l} \mathbf V_{O} =v_{1} \mathbf e_{1} +v_{2} \mathbf e_{2} +v_{3} \mathbf e_{3} \\ \mathbf \omega_{A} =\omega_{1} \mathbf e_{1} +\omega_{2} \mathbf e_{2} +\omega_{3} \mathbf e_{3} \\ \mathbf \rho_{0} =x\mathbf e_{1} +y\mathbf e_{2} +z\mathbf e_{3} \\ \mathbf u=u_{1} \mathbf e_{1} +u_{2} \mathbf e_{2} +u_{3} \mathbf e_{3} \\ \mathbf V_{PA} =\dot{{u}}_{1} \mathbf e_{1} +\dot{{u}}_{2} \mathbf e_{2} +\dot{{u}}_{3} \mathbf e_{3} \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
式中,$\mathbf V_{O} $和$\mathbf \omega_{A}$分别为连体坐标系相对于惯性坐标$O$-$XYZ$的速度和角速度矢量,$\mathbf V_{PA}$为$P$点相对连体坐标系的速度矢量。则$P$点相对于惯性坐标系$O$-$XYZ$的速度矢量为
(4) $\begin{aligned} \boldsymbol{V}_{P}=& \boldsymbol{V}_{O}+\omega_{A}\left(\rho_{0}+\boldsymbol{u}\right)+\boldsymbol{V}_{P A}=\\ &\left[v_{1}+\dot{u}_{1}+\omega_{2}\left(z+u_{3}\right)-\omega_{3}\left(y+u_{2}\right)\right] e_{1}+\\ &\left[v_{2}+\dot{u}_{2}+\omega_{3}\left(x+u_{1}\right)-\omega_{1}\left(z+u_{3}\right)\right] e_{2}+\\ &\left[v_{3}+\dot{u}_{3}+\omega_{1}\left(y+u_{2}\right)-\omega_{2}\left(x+u_{1}\right)\right] e_{3} \end{aligned}$
根据一阶剪切变形理论,矩形板内任意一点的应变$\varepsilon$,其分量为
(5) $\begin{eqnarray} \left.\begin{array}{l} \varepsilon_{x} =\dfrac{\partial w_{1} }{\partial x}+z\dfrac{\partial \varphi_{x} }{\partial x} \\[2mm] \varepsilon_{y} =\dfrac{\partial w_{2} }{\partial y}+z\dfrac{\partial \varphi_{y} }{\partial y} \\[2mm] \gamma_{xy} \approx \dfrac{\partial w_{1} }{\partial y}+\dfrac{\partial w_{2} }{\partial x}+z\left(\dfrac{\partial \varphi_{x} }{\partial y}+\dfrac{\partial \varphi_{y} }{\partial x}\right) \\[2mm] \gamma_{xz} =\dfrac{\partial u_{3} }{\partial x}+\varphi_{x} \\[2mm] \gamma_{yz} =\dfrac{\partial u_{3} }{\partial y}+\varphi_{y} \\[2mm] \end{array}\right\} \end{eqnarray}$
(6) $\begin{eqnarray} {\mathbf \sigma }=\dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}\cdot\\&&\hspace{-7mm}\quad\left[ {{\begin{array}{*{20}c} 1 & \mu & 0 & 0 & 0 \\ \mu & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & {(1-\mu )/2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & {\kappa (1-\mu )/2} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & {\kappa (1-\mu )/2} \\ \end{array} }} \right]{\mathbf \varepsilon } \end{eqnarray}$
其中$\kappa $为剪切修正系数,取值为$\kappa ={5}/{6}$。
1.3 系统的动能和势能
(7) $\begin{eqnarray} T=\dfrac{1}{2}\iiint_V \rho (z)\mathbf V_{P}^{\rm T}\mathbf V_P {\rm d}V \end{eqnarray}$
(8) $\begin{eqnarray} T=\dfrac{1}{2}\iiint_V {\rho (z)} [(v_{1}^{2}+v_{2} ^{2}+v_{3}^{2})+\\(\dot{{u}}_{1}^{2}+\dot{{u}}_{2}^{2}+\dot{{u}}_{3} ^{2})+ (\omega_{1}^{2}+\omega_{2}^{2})(z+u_{3} )^{2}+\\(\omega_{2} ^{2}+\omega_{3}^{2})(x+u_{1} )^{2} - 2\omega_{2} \omega_{3} (y+u_{2} )\cdot \\(u_{3} +z)+(\omega_{1} ^{2}+\omega_{3}^{2})(y+u_{2} )^{2}+\\ 2(v_{1} \dot{{u}}_{1} +v_{2} \dot{{u}}_{2} +v_{3} \dot{{u}}_{3} )+2(v_{2} \omega_{3} -v_{3} \omega_{2} )\cdot \\(x+u_{1} ) + 2(v_{3} \omega_{1} -v_{1} \omega_{3} )(y+u_{2} )+\\2(v_{1} \omega_{2} -v_{2} \omega_{1} )(u_{3} +z)+ 2(\omega _{3} \dot{{u}}_{2} -\omega_{2} \dot{{u}}_{3} )\cdot \\(x+u_{1} )-2(\omega_{1} \dot{{u}}_{3} -\omega_{3} \dot{{u}}_{1} )(y+u_{2} ) -\\ 2(\omega_{2} \dot{{u}}_{1} -\omega_{1} \dot{{u}}_{2} )(z+u_{3} )-2\omega _{1} \omega_{3} (x+u_{1} )\cdot \\(u_{3} +z)-2\omega_{1} \omega_{2} (x+u_{1} )(y+u_{2} )]{\rm d}V \end{eqnarray}$
(9) $\begin{eqnarray} U=\dfrac{1}{2}\iiint_V {{\mathbf \varepsilon }^{\rm T}{\mathbf \sigma }{\rm d}V} \end{eqnarray}$
(10) $\begin{eqnarray} U=\dfrac{1}{2}\iiint_V \dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}\bigg[\varepsilon _{x}^{2}+2\mu \varepsilon_{x} \varepsilon_{y} +\varepsilon_{y} ^{2}+ \dfrac{1-\mu }{2}\gamma_{xy}^{2} +\dfrac{\kappa (1-\mu )}{2}\gamma _{xz}^{2}+\dfrac{\kappa (1-\mu )}{2}\gamma_{yz}^{2}\bigg]{\rm d}V= U_{1} +U_{2} \end{eqnarray}$
式中$U_{1}$为板面内变形能,$U_{2}$为横向弯曲变形能,即
(11) $\begin{eqnarray} U_{1} =\dfrac{1}{2}\iiint_V \dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}\bigg[\bigg(\dfrac{\partial w_{1} }{\partial x}\bigg)^{2}+\\[0.3mm]\bigg(\dfrac{\partial w_{2} }{\partial y}\bigg)^{2}+ 2\mu \bigg(\dfrac{\partial w_{1} }{\partial x}\bigg)\bigg(\dfrac{\partial w_{2} }{\partial y}\bigg)+\\[0.3mm] \dfrac{1-\mu }{2}\bigg(\dfrac{\partial w_{1} }{\partial y}+\dfrac{\partial w_{2} }{\partial x}\bigg)^{2}\bigg]{\rm d}V+\\[0.3mm]\iiint_V {\dfrac{zE(z)}{1-\mu^{2}}} \bigg[\dfrac{\partial w_{1} }{\partial x}\dfrac{\partial \varphi_{x} }{\partial x}+\dfrac{\partial w_{2} }{\partial y}\dfrac{\partial \varphi_{y} }{\partial y}+\\[0.3mm] \mu \bigg(\dfrac{\partial w_{1} }{\partial x}\dfrac{\partial \varphi_{y} }{\partial y}+\dfrac{\partial w_{2} }{\partial y}\dfrac{\partial \varphi_{x} }{\partial x}\bigg)+\\[0.3mm]\dfrac{1-\mu }{2}\bigg(\dfrac{\partial w_{1} }{\partial y}+\dfrac{\partial w_{2} }{\partial x}\bigg)\bigg(\dfrac{\partial \varphi_{x} }{\partial y}\dfrac{\partial \varphi_{y} }{\partial x}\bigg)\bigg]{\rm d}V \end{eqnarray}$
(12) $\begin{eqnarray} U_{2} =\dfrac{1}{2}\iiint_V {\dfrac{z^{2}E(z)}{1-\mu^{2}}} \bigg[\bigg(\dfrac{\partial^{2}u_{3} }{\partial x^{2}}\bigg)^{2}+\bigg(\dfrac{\partial^{2}u_{3} }{\partial y^{2}}\bigg)^{2}+\\[0.3mm]2\mu \bigg(\dfrac{\partial^{2}u_{3} }{\partial x^{2}}\bigg)\bigg(\dfrac{\partial^{2}u_{3} }{\partial y^{2}}\bigg)+ \dfrac{1-\mu }{2}\bigg(\dfrac{\partial^{2}u_{3} }{\partial x\partial y}\bigg)^{2}\bigg]{\rm d}V+\\[0.3mm]\dfrac{1}{2}\iiint_V {\dfrac{\kappa E(z)}{2(1+\mu )}} \bigg[\bigg(\dfrac{\partial u_{3} }{\partial x}+\varphi_{x} \bigg)^{2}+\\[0.3mm]\bigg(\dfrac{\partial u_{3} }{\partial y}+\varphi_{y} \bigg)^{2}\bigg]{\rm d}V \end{eqnarray}$
1.4 FGM矩形板变形场的离散
常用的矩形板变形场离散方法有假设模态法和有限元法,而本文采用无网格法中的径向基点插值法(radial point interpolation method, RPIM)。对于问题域$\varOmega$中的连续场函数${u}({\mathbf x})$,可以用在该问题域中相关点的基函数表示如下
(13) $\begin{eqnarray} {u}({\mathbf x})=\sum\limits_{i=1}^n {R_{i} } ({\mathbf x})a_{i} +\sum\limits_{j=1}^m {p_{j} ({\mathbf x})b_{j} } =\\ {\mathbf R}^{\rm T}({\mathbf x}){\mathbf a}+{\mathbf p}^{\rm T}({\mathbf x}){\mathbf b} \end{eqnarray}$
式中${\mathbf x}$为计算点坐标,$R_{i} ({\mathbf x})$为径向基函数,$n$为计算点支持域中的节点数,$p_{j} ({\mathbf x})$为空间坐标${\mathbf x}^{\rm T}=[x,y]$中的单项式,$m$为多项式基函数的个数,$a_{i}$和$b_{j} $为待定常数,假设$m=6$,则${\mathbf p}^{\rm T}=\left\{{1,x,y,x^{2},xy,y^{2}} \right\}$。
在径向基函数$R_{i} ({\mathbf x})$中,仅有表示计算点${\mathbf x}$和问题域中节点${\mathbf x}_{i} $之间距离的变量$r_{i}$,本文节点距离变量表达式为:$r_{i} =\sqrt{(x-x_{i} )^{2}+(y-y_{i} )^{2}}$,常用的径向基函数见文献[24 ]。本文选取的径向基函数为2次函数,其中形状参数$\alpha _{\rm c} $和$q$分别为4和1.03。2次函数表达式为
(14) $\begin{eqnarray} R_{i} (x,y)=[r_{i}^{2}+(\alpha_{\rm c} d_{\rm c})^{2}]^{q} \end{eqnarray}$
式中$d_{\rm c} $为计算点${\mathbf x}$同其局部支持域中的节点的间距的均值。
(15) $\begin{eqnarray} \left. {{\begin{array}{*{20}c} {w_{1} (x,y,t)={\mathbf \varPhi }_{1} (x,y){\mathbf q}_{1} (t)} \\ {w_{2} (x,y,t)={\mathbf \varPhi }_{2} (x,y){\mathbf q}_{2} (t)} \\ {u_{3} (x,y,t)={\mathbf \varPhi }_{3} (x,y){\mathbf q}_{3} (t)} \\ {\varphi_{x} (x,y,t)=\mathbf \phi_{x} (x,y){\mathbf q}_{3} (t)} \\ {\varphi_{y} (x,y,t)=\mathbf \phi_{y} (x,y){\mathbf q}_{3} (t)} \\ \end{array} }} \right\} \end{eqnarray}$
其中所对应的形函数${\mathbf \varPhi }_{1} $,${\mathbf \varPhi }_{2} $,${\mathbf \varPhi }_{3}$,$\mathbf \phi_{x} $,$\mathbf \phi_{y} $的定义可见文献[21 ]。${\mathbf q}_{1} (t)$和${\mathbf q}_{2} (t)$为对应节点的纵向变形列阵,${\mathbf q}_{3}(t)$为相应节点横向变形和截面转角组成的列阵,对应$i$节点的表达式为:${\mathbf q}_{3i} (t)=\big[\begin{array}{*{20}c} {u_{3i} } & {\varphi_{xi} } & {\varphi_{yi} } \end{array}\big]^{\rm T}$
令${\mathbf \varPhi }_{4} =z\mathbf \phi_{x} $,${\mathbf \varPhi }_{5} =z\mathbf \phi_{y}$,将式(15)代入式({2})中,得变量$u_{1} $,$u_{2} $及其速度为
(16) $\begin{eqnarray} &&\left. \begin{array}{*{20}c} {u_{1} ={\mathbf \varPhi }_{1} {\mathbf q}_{1} -\dfrac{1}{2}{\mathbf q}_{3}^{\rm T} {\mathbf H}_{1} (x,y)\mathbf q_{3} +{\mathbf \varPhi }_{4} {\mathbf q}_{3} } \\[2mm] {u_{2} ={\mathbf \varPhi }_{2} {\mathbf q}_{2} -\dfrac{1}{2}{\mathbf q}_{3}^{\rm T} {\mathbf H}_{2} (x,y){\mathbf q}_{3} +{\mathbf \varPhi }_{5} {\mathbf q}_{3} } \\ \end{array} \right\}\end{eqnarray}$
(17) $\begin{eqnarray} \left. \begin{array}{*{20}c} {\dot{{u}}_{1} ={\mathbf \varPhi }_{1} {\dot{{\mathbf q}}}_{1} -{\mathbf q}_{3}^{\rm T} {\mathbf H}_{1} (x,y)\dot{{{\mathbf q}}}_{3} +{\mathbf \varPhi }_{4} {\dot{{\mathbf q}}}_{3} } \\ {\dot{{u}}_{2} ={\mathbf \varPhi }_{2} {\dot{{\mathbf q}}}_{2} -{\mathbf q}_{3}^{\rm T} {\mathbf H}_{2} (x,y)\dot{{{\mathbf q}}}_{3} +{\mathbf \varPhi }_{5} {\dot{{\mathbf q}}}_{3} } \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
式中,${\mathbf H}_{1} (x,y)$和${\mathbf H}_{2} (x,y)$为耦合函数,表达式为
(18) $\begin{eqnarray} \left. {{\begin{array}{*{20}c} {{\mathbf H}_{1} (x,y{\mathbf )}=\int_0^x {{\mathbf \varPhi }_{3,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,x} {\rm d}x} } \\[3mm] {{\mathbf H}_{2} (x,y{\mathbf )}=\int_0^y {{\mathbf \varPhi }_{3,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,y} {\rm d}y} } \\ \end{array} }} \right\} \end{eqnarray}$
1.5 FGM矩形板刚柔耦合动力学方程
取广义坐标${\mathbf q}=\big[{{\mathbf q}_{1} } \ \ {{\mathbf q}_{2} } \ \ {{\mathbf q}_{3}} \big]^{\rm T}$,将动能和势能代入第二类拉格朗日方程
(19) $\begin{eqnarray} \dfrac{\rm d}{{\rm d}t}\left(\dfrac{\partial T}{\partial {\dot{{\mathbf q}}}}\right)-\dfrac{\partial T}{\partial {\mathbf q}}+\dfrac{\partial U}{\partial {\mathbf q}}={\mathbf 0} \end{eqnarray}$
(20) $\begin{eqnarray} \left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\mathbf M_{11} } & {\mathbf0} & {\mathbf M_{13} } \\ {\mathbf0} & {\mathbf M_{22} } & {\mathbf M_{23} } \\ {\mathbf M_{31} } & {\mathbf M_{32} } & {\mathbf M_{33} } \\ \end{array} }} \right]\left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\ddot{{\mathbf q}}_{1} } \\ {\ddot{{\mathbf q}}_{2} } \\ {\ddot{{\mathbf q}}_{3} } \\ \end{array} }} \right]+\\ \left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\mathbf0} & {\mathbf G_{12} } & {\mathbf G_{13} } \\ {\mathbf G_{21} } & {\mathbf0} & {\mathbf G_{23} } \\ {\mathbf G_{31} } & {\mathbf G_{32} } & {\mathbf G_{33} } \\ \end{array} }} \right]\left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\dot{{\mathbf q}}_{1} } \\ {\dot{{\mathbf q}}_{2} } \\ {\dot{{\mathbf q}}_{3} } \\ \end{array} }} \right]+\\ \left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\mathbf K_{11} } & {\mathbf K_{12} } & {\mathbf K_{13} } \\ {\mathbf K_{21} } & {\mathbf K_{22} } & {\mathbf K_{23} } \\ {\mathbf K_{31} } & {\mathbf K_{32} } & {\mathbf K_{33} } \\ \end{array} }} \right]\left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\mathbf q_{1} } \\ {\mathbf q_{2} } \\ {\mathbf q_{3} } \\ \end{array} }} \right]=\left[ {{\begin{array}{*{20}c} {\mathbf Q_{1} } \\ {\mathbf Q_{2} } \\ {\mathbf Q_{3} } \\ \end{array} }} \right] \end{eqnarray}$
(21) $\mathbf M_{11} =\mathbf W_{11},\ \ \mathbf M_{22} =\mathbf W_{22}$
(22) $\mathbf M_{33} =\mathbf W_{33} +\underline{\mathbf W_{44} +\mathbf W_{55} }$
(23) $ \underline{\mathbf M_{31} =\mathbf M_{13}^{\rm T} =\mathbf W_{41} },\ \ \underline{\mathbf M_{32} =\mathbf M_{23}^{\rm T} =\mathbf W_{52}}$
(24) $\mathbf G_{12} =-\mathbf G_{21}^{\rm T} =-2\omega_{3} \mathbf W_{12}$
(25) $\mathbf G_{23} =-\mathbf G_{32}^{\rm T} =-2\omega_{1} \mathbf W_{23}$
(26) $\mathbf G_{13} =-\mathbf G_{31}^{\rm T} =2(\omega_{2} \mathbf W_{13} -\underline{\omega_{3} \mathbf W_{15} })$
(27) $\mathbf G_{33} =\underline{2\omega_{2} (\mathbf W_{43} -\mathbf W_{34} )+2\omega_{3} (\mathbf W_{54} -\mathbf W_{45} )+}\\\underline{2\omega_{1} (\mathbf W_{35} -\mathbf W_{53} )}$
(28) $\mathbf K_{11} =\mathbf K_{f11} -(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{11}$
(29) $\mathbf K_{12} =\mathbf K_{f12} +(\omega_{1} \omega_{2} -\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{12}$
(30) $\mathbf K_{13} =(\omega_{1} \omega_{3} +\dot{{\omega }}_{2} )\mathbf W_{13}-\\\underline{(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{14} +}\underline{(\omega _{1} \omega_{2} -\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{15} }$
(31) $\mathbf K_{21} =\mathbf K_{f12}^{\rm T} +(\omega_{1} \omega_{2} +\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{21}$
(32) $\mathbf K_{22} =\mathbf K_{f22} -(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{22}$
(33) $\mathbf K_{23} =(\omega_{2} \omega_{3} -\dot{{\omega }}_{1} )\mathbf W_{23} +\underline{(\omega_{1} \omega_{2} +\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{24} }\underline{-(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{25} }$
(34) $\mathbf K_{31} =(\omega_{1} \omega_{3} -\dot{{\omega }}_{2} )\mathbf W_{31} -\underline{(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{41} +}\underline{(\omega _{1} \omega_{2} +\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{51} }$
(35) $\mathbf K_{32} =(\omega_{2} \omega_{3} +\dot{{\omega }}_{1} )\mathbf W_{32} +\underline{(\omega_{1} \omega_{2} -\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf W_{42} }\underline{-(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{52} }$
(36) $\begin{eqnarray}\mathbf K_{33} =\mathbf K_{f33} -(\omega_{1}^{2} +\omega_{2}^{2} )\mathbf W_{33} -\underline{(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{44} -(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf W_{55}} +\underline{\dot{{\omega }}_{2} (\mathbf W_{43} -\mathbf W_{34} -\mathbf D_{31} )}+\\ \underline{\dot{{\omega }}_{1} (\mathbf W_{35} -\mathbf W_{53} +\mathbf D_{32} )+2\omega _{1} \omega_{3} \mathbf W_{43} +2\omega_{1} \omega_{2} \mathbf W_{45} }+ \underline{2\omega_{2} \omega_{3} \mathbf W_{53} +\dot{{\omega }}_{3} (\mathbf W_{54} -\mathbf W_{45} )}+\\ \underline{\underline {(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf D_{11} }}+ \underline{\underline {(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf D_{22} -(\omega_{1} \omega_{2} +\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf D_{12} -(\omega_{1} \omega _{2} -\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf D_{21} }} -\\ \underline{\underline{a_{01} \mathbf C_{1} -a_{02} \mathbf C_{2} }}\underline{\underline {-\omega_{1} \omega_{3} \mathbf D_{31} -\omega_{2} \omega_{3} \mathbf D_{32} }}\end{eqnarray}$
(37) $\mathbf Q_{1} =(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf S_{11}^{\rm T} -(\omega_{1} \omega _{2} -\dot{{\omega }}_{3} )\mathbf S_{21}^{\rm T} -(\omega_{1} \omega_{3} +\dot{{\omega }}_{2} )\mathbf S_{31}^{\rm T} -a_{01} \mathbf Y_{1}^{\rm T}$
(38) $\mathbf Q_{2} =(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf S_{22}^{\rm T} -\omega_{1} \omega _{2} \mathbf S_{12}^{\rm T} -\dot{{\omega }}_{3} \mathbf S_{13}^{\rm T} +\dot{{\omega }}_{1} \mathbf S_{32}^{\rm T} -a_{02} \mathbf Y_{2}^{\rm T}$
(39) $\begin{eqnarray}\mathbf Q_{3} =(\omega_{1}^{2} +\omega_{2}^{2} )\mathbf S_{33}^{\rm T} +(\omega_{1}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf S_{25}^{\rm T} +(\omega_{2}^{2} +\omega_{3}^{2} )\mathbf S_{14}^{\rm T} - \omega_{2} \omega_{3} (\mathbf S_{35}^{\rm T} +\mathbf S_{23}^{\rm T} )-\omega_{1} \omega_{3} (\mathbf S_{34}^{\rm T} +\mathbf S_{13}^{\rm T} )-\\\omega_{1} \omega_{2} (\mathbf S_{15}^{\rm T} +\mathbf S_{24}^{\rm T} ) + \dot{{\omega }}_{1}\mathbf S_{35}^{\rm T} -\mathbf S_{23}^{\rm T}+\dot{{\omega }}_{2} (\mathbf S_{13}^{\rm T} -\mathbf S_{34}^{\rm T})+\dot{{\omega }}_{3}(\mathbf S_{24}^{\rm T} -\mathbf S_{15}^{\rm T})- a_{03} \mathbf Y_{3}^{\rm T} - a_{02} \mathbf Y_{4}^{\rm T} -a_{01} \mathbf Y_{5}^{\rm T}\end{eqnarray}$
式中,$a_{01} $,$a_{02} $,$a_{03}$为基点加速度在连体坐标系下的分量,表达式为
(40) $a_{01} =\dot{{v}}_{1} +(\omega_{2} v_{3} -\omega_{3} v_{2} )$
(41) $a_{02} =\dot{{v}}_{2} +(\omega_{3} v_{1} -\omega_{1} v_{3} )$
(42) $a_{03} =\dot{{v}}_{3} +(\omega_{1} v_{2} -\omega_{2} v_{1} )$
(43) $\mathbf W_{ij} =\iiint_V {\rho (z)} {\mathbf \varPhi }_{i}^{\rm T} {\mathbf \varPhi}_{j} {\rm d}V \\[.6mm](i=1,2,3,4,5;\ \ j=1,2,3,4,5)$
(44) $\mathbf C_{i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot \mathbf H_{i} {\rm d}V\ (i=1,2)$
(45) $\mathbf D_{1i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot x\cdot \mathbf H_{i} {\rm d}V\ (i=1,2)$
(46) $\mathbf D_{2i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot y\cdot \mathbf H_{i} {\rm d}V\ (i=1,2)$
(47) $\mathbf D_{3i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot z\cdot \mathbf H_{i} {\rm d}V\ (i=1,2)$
(48) $\mathbf S_{1i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot x\cdot {\mathbf \varPhi }_{i} {\rm d}V\ (i=1,2,3,4,5)$
(49) $\mathbf S_{2i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot y\cdot {\mathbf \varPhi }_{i} {\rm d}V\ (i=1,2,3,4,5)$
(50) $\mathbf S_{3i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot z\cdot {\mathbf \varPhi }_{i} {\rm d}V\ (i=1,2,3,4,5)$
(51) $\mathbf Y_{i} =\iiint_V {\rho (z)} \cdot {\mathbf \varPhi }_{i} {\rm d}V\ (i=1,2,3,4,5)$
(52) $\mathbf K_{f11} =\iiint_V {\dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}} \bigg({\mathbf \varPhi }_{1,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{1,x} +\\[.6mm] \dfrac{1-\mu }{2}{\mathbf \varPhi }_{1,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{1,y} \bigg){\rm d}V$
(53) $\mathbf K_{f12} =\mathbf K_{f21}^{\rm T} =\iiint_V {\dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}}\bigg(\mu {\mathbf \varPhi }_{1,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{2,y} +\\[.6mm]\dfrac{1-\mu }{2}{\mathbf \varPhi }_{1,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{2,x} \bigg){\rm d}V$
(54) $\mathbf K_{f22} =\iiint_V {\dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}} \bigg(\mu {\mathbf \varPhi }_{2,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{2,y} +\\[.6mm]\dfrac{1-\mu }{2}{\mathbf \varPhi }_{2,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{2,x} \bigg){\rm d}V$
(55) $\begin{eqnarray}\mathbf K_{f33} =\iiint_V {\dfrac{E(z)}{1-\mu^{2}}} \bigg[{\mathbf \varPhi }_{4,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{4,x} +{\mathbf \varPhi }_{5,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{5,y} +\\[.6mm] \dfrac{1-\mu }{2}({\mathbf \varPhi }_{4,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{4,y} +{\mathbf \varPhi }_{5,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{5,x} +{\mathbf \varPhi }_{4,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{5,x} +\\[.6mm] {\mathbf \varPhi }_{5,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{4,y} )+ \mu ({\mathbf \varPhi }_{4,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{5,y} + {\mathbf \varPhi }_{5,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{4,x} )\bigg]{\rm d}V+\\[.6mm]\iiint_V {\dfrac{\kappa E(z)}{2(1+\mu )}}\cdot (\underline{{\mathbf \varPhi }_{3,x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,x} +{\mathbf \varPhi }_{3,y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,y} +}\\[.6mm]\underline{\mathbf \phi_{x}^{\rm T} \mathbf \phi_{x} +\mathbf \phi_{y}^{\rm T} \mathbf \phi_{y} +{\mathbf \varPhi }_{3,x}^{\rm T} \mathbf \phi_{x} +{\mathbf \varPhi }_{3,y}^{\rm T} \mathbf \phi_{y} +}\\[.6mm]\underline{\mathbf \phi_{x}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,x} +\mathbf \phi_{y}^{\rm T} {\mathbf \varPhi }_{3,y} }){\rm d}V\end{eqnarray}$
各分块式中双下划线项为考虑二次耦合变形量带来的附加动力刚度项。传统的零次近似模型建模时忽略了这些项,即这些项都为零。单下划线为考虑横向剪切变形所推导出的剪切变形项,若不考虑该项,则动力学方程退化为经典薄板理论。
2 数值仿真
2.1 功能梯度板"动力刚化"研究
本节仿真一作大范围已知运动的悬臂FGM矩形板,hub-FGM板系统的材料参数:长$L=1.828 8$ m,宽$H=1.219 2$ m,厚度$h=0.02$ m,$\rho _{\rm c} =3000$ kg/m$^{3}$,$\rho_{\rm m} =2707$ kg/m$^{3}$,$E_{\rm c}=151$ GPa,$E_{\rm m} =70$ GPa,泊松比$\mu =0.3$,中心刚体半径$R=0$。矩形板节点划分沿$x$和$y$轴分别以16和8个节点均匀分布,积分网格沿$x$和$y$轴分别均匀划分8格和6格,假设模态法(assumed mode method, AMM)和三角形单元有限元法(triangle finite element method,TR-FEM)分别取$5\times7$阶模态和$2\times 16\times 8$个单元。给定角速度规律为:$\omega_{1} =\omega_{3} =\dot{{\omega }}_{1} =\dot{{\omega }}_{3} =0$,$\omega_{2} =\omega $,$\dot{{\omega }}_{2} =\dot{{\omega }}$。其中
(56) $\begin{eqnarray} \omega =\left\{ {\begin{array}{ll} \dfrac{\varOmega }{T}t-\dfrac{\varOmega }{2\pi}\sin \left(\dfrac{2\pi }{T}t\right), & 0\leqslant t\leqslant T \\ \varOmega, & t>T \\ \end{array}} \right. \end{eqnarray}$
若只考虑FGM板沿厚度方向上的横向振动,系统的动力学方程可简化为
(57) $\begin{eqnarray} \mathbf M_{33} \ddot{{\mathbf q}}_{3} +\mathbf G_{33} \dot{{\mathbf q}}_{3} +\mathbf K_{33} \mathbf q_{3} =\mathbf Q_{3} \end{eqnarray}$
(58) $\mathbf M_{33} =\mathbf W_{33} +\mathbf W_{44} +\mathbf W_{55}$
(59) $\mathbf K_{33} =\mathbf K_{f33} -\omega_{2}^{2}(\mathbf W_{33} +\mathbf W_{44} )-\\\dot{{\omega }}_{2} (\mathbf W_{34} -\mathbf W_{43} )+\underline{\underline{\omega_{2}^{2}\mathbf D_{11} -\dot{{\omega }}_{2} \mathbf D_{31} }}\qquad$
(60) $\mathbf G_{33} =2\omega_{2} (\mathbf W_{43} -\mathbf W_{34} )$
(61) $\mathbf Q_{3} =\dot{{\omega }}_{2} \mathbf S_{13}^{\rm T} -\dot{{\omega }}_{2} \mathbf S_{34}^{\rm T} +\omega_{2}^{2} (\mathbf S_{33}^{\rm T} +\mathbf S_{14}^{\rm T} )$
图2 和图3 是角速度分别取$\varOmega=3$ Hz和10 Hz,板功能梯度系数$N$分别取1和2的零次近似模型和一次近似模型计算得到的板外侧角点的横向变形图。从图2 中可以看出,本文模型的计算结果与文献[9 ]基本吻合,但是在最大变形处,计算结果存在微小差异。这是因为文献[9 ]是基于经典薄板理论,而本文是基于考虑剪切变形的Mindlin板理论,因而系统更显柔性,所以最大变形处偏大。比较图3 (a)和图3 (b)可以看出,$\varOmega=3$ Hz低速运动时,不考虑附加刚度项的零次近似模型计算结果收敛,当运动为高速运动$\varOmega=10$ Hz时,零次近似模型的计算结果则发散,而一次近似模型的结果依然收敛。说明未考虑附加刚度项的零次近似模型只适用于低转速工况,而一次近似模型既适用于低速,又适用于高转速工况。
图2
图2
$N=1, \varOmega=3$ Hz时矩形板外侧角点横向变形
图3
图4 和图5 是$N=2$,角速度$\varOmega =3$ Hz和10 Hz时一次近似模型得到板外侧角点横向变形速度。从两图中可以看出三种离散方法的仿真结果基本一致。进一步说明了本文所建模型的正确性。
图4
图4
$N=2$,$\varOmega =3$ Hz时板外侧角点横向变形速度
图5
图5
$N=2$,$\varOmega =10$ Hz时板外侧角点横向变形速度
图6 为$\varOmega =10$ Hz,$h=0.002$ m,$E_{\rm c} =15.1$ GPa,$N=1$,其余参数不变的FGM矩形板外侧角点横向变形图。从图中可以看出,TR-FEM和RPIM的结果在前10 s基本一致,但随着时间的增大,TR-FEM结果发散。而RPIM的结果仍然收敛,说明了RPIM有更好的计算稳定性,在同等计算条件下比TR-FEM更有计算优势。
图6
图6
矩形板外侧角点横向变形图 ($\varOmega =10$ Hz,$h=0.002$ m,$E_{\rm c} =15.1$ GPa,$N=1$)
图7 分别给出了在$\varOmega =3$ Hz和$\varOmega=10$ Hz时板外侧角点的横向变形随功能梯度系数的变化情况。从图中可以看出,当$N=0$时,功能梯度板退化为均质板,板的最大变形最小,随着$N$的增大,板外侧角点变形也增大,说明功能梯度系数能影响板的柔性,功能梯度系数越大,板的柔性越大。
图7
2.2 功能梯度板的固有频率研究
假设中心刚体半径为$R$,中心刚体以角速度$\varOmega$绕$y$轴匀速转动,则在连体坐标系下,原点$O$的速度矢量为:$(v_{1},v_{2},v_{3})=(0,0,-R\varOmega )$,$(\omega_{1},\omega_{2},\omega_{3})=(0,\varOmega,0)$。
若只考虑矩形板的横向振动,则基于Mindlin板理论推导的作定轴转动矩形板的自由振动方程为
(62) $\begin{eqnarray} \mathbf M_{33} \ddot{{\mathbf q}}_{3} +[\varOmega^{2}(R\mathbf C_{1} +\mathbf D_{11})-\\\varOmega^{2}(\mathbf W_{33} +\mathbf W_{44} )+\mathbf K_{f33} ]\mathbf q_{3} ={\mathbf0} \end{eqnarray}$
考虑到矩形板几何尺寸对固有频率的影响,定义如下无量纲变量:$\tau ={t}/{T}$,$\chi ={x}/{L}$,$\zeta ={y}/{H}$,$Z={q_{3} }/{L}$,$\delta ={L}/{H}$,$\eta ={h}/{L}$,$\sigma ={R}/{L}$,$\lambda ={E_{\rm c} }/{E_{\rm m} }$,$\vartheta ={\rho_{\rm c} }/{\rho_{\rm m} }$,$\varpi =\omega T$,$\gamma =\varOmega T$。
(63) $\begin{eqnarray} \overline{\mathbf W}_{33} \ddot{{\mathbf Z}}+(\overline{\mathbf W}_{44} +\overline{\mathbf W}_{55} )\ddot{{\mathbf Z}}+[\gamma^{2}(\sigma \overline{\mathbf C}_{1} +\overline{\mathbf D}_{11} )-\\\gamma ^{2}(\overline{\mathbf W}_{33} +\overline{\mathbf W}_{44} )+\beta_{1} \mathbf K_{f_{1} 33} +\\ \beta _{2} \mathbf K_{f_{2} 33} +\beta_{3} \mathbf K_{f_{3} 33} ]\mathbf Z={\mathbf0} \end{eqnarray}$
式中,$T=\sqrt {(1-\mu^{2})\rho_{\rm m}L^{2}/E_{\rm m}}$。$\lambda $为无量纲弹性模量,$\vartheta $为无量纲密度,$\delta$为矩形板的纵横比,$\eta $为矩形板的厚长比,$\sigma$为中心刚体半径与矩形板纵向边长之比,$\varpi$为无量纲固有频率,$\gamma$为无量纲转动角速度,$N$为功能梯度指数。
$\begin{eqnarray} \beta_{1} =\dfrac{N^{3}+3N^{2}(\lambda +1)+N(3\lambda +8)+6\lambda}{N^{3}+3N^{2}(\vartheta +1)+N(3\vartheta +8)+6\vartheta }\nonumber\\ \beta_{2} =\dfrac{(1-\mu )\kappa (\lambda +N)}{2(\vartheta +N)}\nonumber\\ \beta_{3} =\dfrac{6(1-\mu )\kappa (\lambda +N)(N+3)(N+2)}{\eta^{2}(N^{3}+3N^{2}(\vartheta +1)+N(3\vartheta +8)+6\vartheta )}\nonumber\\\end{eqnarray}$
(64) $\overline{\mathbf W}_{33} =\int_0^1 {\int_0^1 {\overline {{\mathbf \varPhi }}_{3}^{\rm T} } } \overline {{\mathbf \varPhi }}_{3} \mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
(65) $\overline{\mathbf W}_{44} =\int_0^1 {\int_0^1 {\overline{\mathbf \phi}_{\chi}^{\rm T} } } \overline{\mathbf \phi}_{\zeta } \mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta\\$
(66) $\overline{\mathbf W}_{55} =\int_0^1 {\int_0^1 {\overline{\mathbf \phi}_{\chi}^{\rm T} } } \overline{\mathbf \phi}_{\zeta } \mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
(67) $\overline{\mathbf C}_{1} =\int_0^1 {\int_0^1 {\overline{\mathbf H}_{1} } }(\chi,\zeta )\mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
(68) $\overline{\mathbf D}_{11} =\int_0^1 {\int_0^1 {\chi \overline{\mathbf H}_{1} } } (\chi,\zeta )\mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
(69) $\begin{eqnarray}\mathbf K_{f_1,33} =\int_0^1 {\int_0^1 {[\overline{\mathbf \phi} _{\chi,\chi }^{\rm T} } } \mathbf \phi_{\chi,\chi } +\delta^{2}\overline{\mathbf \phi} _{\zeta,\zeta }^{\rm T} \mathbf \phi_{\zeta,\zeta } +\\[2mm] \dfrac{1-\mu }{2}(\delta ^{2}\overline{\mathbf \phi}_{\chi,\zeta }^{\rm T} \mathbf \phi_{\chi,\zeta } +\overline{\mathbf \phi}_{\zeta,\chi }^{\rm T} \mathbf \phi_{\zeta,\chi } +\delta \overline{\mathbf \phi}_{\chi,\zeta }^{\rm T} \mathbf \phi_{\zeta,\chi } +\\[2mm]\delta \overline{\mathbf \phi}_{\zeta,\chi }^{\rm T} \mathbf \phi_{\chi,\zeta } ) + \mu \delta (\overline{\mathbf \phi}_{\chi,\chi }^{\rm T} \mathbf \phi_{\zeta,\zeta } +\\[2mm]\overline{\mathbf \phi}_{\zeta,\zeta }^{\rm T} \mathbf \phi_{\chi,\chi } )]\mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta\end{eqnarray}$
(70) $\mathbf K_{f_2,33} =\int_0^1 {\int_0^1 {[\overline {{\mathbf \varPhi}}_{3,\chi }^{\rm T} } } \overline {{\mathbf \varPhi }}_{3,\chi } +\overline {{\mathbf \varPhi }}_{3,\zeta }^{\rm T} \overline {{\mathbf \varPhi }}_{3,\zeta }^{\rm T} ]\mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
(71) $\mathbf K_{f_3,33} =\int_0^1 \int_0^1 [\overline{\mathbf \phi} _{\chi }^{\rm T} \mathbf \phi_{\chi } +\overline{\mathbf \phi}_{\zeta }^{\rm T} \mathbf \phi _{\zeta } ]\mbox{d}\chi \mbox{d}\zeta$
为进一步验证本文所建模型的正确性,将功能梯度板退化为匀质薄板,同文献[25 ]中的计算结果进行比较。表1 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,中心刚体悬臂板无量纲角速度$\gamma=1$的前五阶无量纲固有频率。由表1 可知,本文结果同文献[25 ]基本吻合,且由于考虑剪切变形,系统更偏柔性,固有频率比文献中的结果都偏小。表2 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$N=2$,不同无量纲角速度$\gamma $下中心刚体FGM悬臂板前三阶无量纲固有频率。由该表知,随着无量纲角速度的增大,三种方法的无量纲固有频率皆增大,且基于一阶剪切变形理论的RPIM结果总是比基于经典薄板理论的假设模态法的数值小,说明忽略剪切变形的经典薄板理论总是高估了系统的固有频率。表3 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$\gamma=10$,$N$取不同值时,中心刚体FGM悬臂板前五阶无量纲固有频率。结果表明,随着$N$的增大,系统无量纲固有频率减小,进一步说明功能梯度系数越大,系统的柔性越大。
图8 所示为$\delta =5$,$\eta =0.01$,$\sigma =1$时,均质悬臂板前五阶无量纲固有频率随无量纲角速度的变化图。从图中可以看出,各阶无量纲固有频率皆随无量纲角速度的增大而增大,而且在第二阶和第三阶无量纲固有频率有频率转向现象。从放大图8 (b)可以看出,第二阶和第三阶固有频率没有发生交叉。
图8
图8
均质悬臂板前五阶无量纲固有频率($\delta =5$,$\eta =0.01$,$\sigma =1)$
图9 为$\delta =5$,$\eta =0.01$,$\sigma=1$,$N=2$时,FGM悬臂板前八阶无量纲固有频率随无量纲角速度变化图。从图9 (a)中能观察到随着无量纲角速度的增大,多阶无量纲固有频率发生了显著的频率转向现象,而从频率转向区域的局部放大图9 (b)~9(d)中可知,发生频率转向的相邻两阶频率并没有交叉。
图9
图9
FGM悬臂板前八阶无量纲固有频率的变化情况($\delta =5$,$\eta =0.01$,$\sigma =1$,$N=2$)
图10 为$\delta =1$,$\eta =0.01$,$\sigma=1$,$N=2$时,FGM悬臂板第六阶到第八阶无量纲固有频率随无量纲角速度变化图和局部放大图,从图10 (a)看到第七阶固有频率同第六阶和第八阶固有频率发生了多次转向现象,说明板的纵横比对系统固有频率的频率转向影响较大。
图10
图10
FGM悬臂板第六阶到第八阶无量纲固有频率的变化情况($\delta =1$,$\eta =0.01$,$\sigma =1$,$N=2$)
3 结论
(1)采用RPIM描述柔性板的变形场,基于一阶剪切变形理论,建立了旋转FGM矩形板的刚柔耦合一次近似模型。该模型既适用于低转速情况,又适用于高转速情况,既适用于薄板问题,又适用于中厚板问题。在同等计算条件下,RPIM相比TR-FEM更具有计算优越性。
(2)随着功能梯度指数的增大,旋转FGM矩形板的横向弯曲变形变大,固有频率减小,说明功能梯度指数的增大使系统的柔性增大,可通过改变功能梯度指数的取值范围以达到控制变形及频率的目的。
(3)基于经典薄板理论的无量纲固有频率总是大于基于一阶剪切变形理论的无量纲固有频率,说明忽略剪切变形的Kirchhoff假设使结构更偏刚性,总是高估了系统的固有频率。
(4)系统的无量纲固有频率会随着转速和板纵横比的变化而发生频率转向现象。不仅有单次转向,还有多次转向现象,且发生频率转向的相邻两阶频率并不相交。
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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.
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Compared with traditional stiffened plates, curvilinearly stiffened plates can deliver the mechanical properties of materials more adequately. In mechanical analysis of stiffened thick plates, Reissner-Mindlin theory is usually adopted. However, difficulties are encountered in connection with shear locking when the plate thickness approaches zero. In order to avoid the above problem, the discrete Kirchhoff-Mindlin theory was investigated by employing the assumption of shear strain field. An efficient finite element approach for free vibration analysis of curvlinearly stiffened KirchhoffMindlin plates is presented in this paper. The discrete Kirchhoff-Mindlin triangular (DKMT) element and the Timoshenko curved beam element are employed for modeling the plate and the stiffeners, respectively. The finite element equation is established through the displacement interpolation function of plate and the displacement compatibility conditions at the plate-stiffener interfaces. In order to verify the efficiency and accuracy of the present method, linearly stiffened thin plate and curvilinearly stiffened thin and thick plates are used as numerical examples. The reasonable finite element mesh density is selected by convergence and accuracy analysis. The first 20 natural frequencies of the linearly stiffened plate are in good agreement with the literature. In the examples of the curvilinearly stiffened plate, the number of plate elements satisfying the convergence condition is 2469, while the number in Nastran model is 6243. The maximum error of the natural frequency between the present method and Nastran is 3.4%. Results show that present approach can guarantee the accuracy of calculation with less number of elements. The present method can be applied to the free vibration analysis of both stiffened thin and thick plates.
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Moita JS , Araújo AL , Correia VF , et al . Active-passive damping in functionally graded sandwich plate/shell structures
Composite Structures , 2018 , 202 : 324 -332
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杜超凡 , 章定国 , 洪嘉振 . 径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用
力学学报 , 2015 , 47 (2 ): 279 -288
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[本文引用: 2]
将无网格径向基点插值法用于旋转柔性梁的动力学分析. 利用无网格方法对柔性梁的变形场进行离散,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 将无网格径向基点插值法的仿真结果有限元法和假设模态法进行比较分析,说明假设模态法的局限性,并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性,并讨论了径向基形状参数的影响. 同时运用3 种求解系统动力学方程的方法:纽马克方法、4阶龙格库塔法、亚当姆斯预报校正法,并比较各方法的计算效率, 结果表明纽马克方法最快.
Du Chaofan , Zhang Dingguo , Hong Jiazhen . A meshfree method based on radial point interpolation method for the dynamic analysis of rotating flexible beams
Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics , 2015 , 47 (2 ): 279 -288 (in Chinese)
DOI
[本文引用: 2]
A meshfree method based on radial point interpolation method (RPIM) is proposed for dynamic analysis of a rotating flexible beam. The RPIM is used to describe the deformation of the flexible beam. The longitudinal and transverse deformations of the beam are both considered, and the coupling term of the deformation which is caused by the transverse deformation is included in the longitudinal deformation of the beam. The rigid-flexible coupling dynamic equations of the system are derived via employing Lagrange's equations of the second kind. Simulation results of the RPIM are compared with those obtained by using finite element method (FEM) and assumed modes method and show the limitations of assumed modes method. It is demonstrated that the meshfree method as a discrete method of the flexible body can be extended in the field of multibody system dynamics. Meanwhile, the influence of the radial basis shape parameters is discussed. What's more, three integration methods (Newmark method, fourth-order Runge—Kutta method and Adams prediction correction method) are used to solve the dynamic equations, and it shows that the Newmark method is the fastest with the computational effciency.
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Likins PW . Dynamic analysis of a system of hinge-connected rigid bodies with nonrigid appendages
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FGM activities in Japan
1
1997
... 功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)是由两种或两种以上性能各异的材料组合而成,通过改变其体积分数来改变结构沿某一方向的性能,以实现结构不同位置的功能需求[1 ] .由于FGM在材料界面处的力学性能过渡平滑,能消除不必要的界面应力,为解决热障问题提供了有力的帮助,因此其性能优于由两种离散材料粘结在一起的复合增强材料,被研究人员广泛关注.这种固有的材料性能不均匀性给力学分析带来了很大的困难,以往针对各向同性、均匀材料引入和发展的力学概念和建模理论等已不再适用,需要进行探索和创新.由FGM制成的旋转叶片,如太阳能帆板、风力发电机叶片及航空发动机叶片等,其动力学特性必然有别于传统均质材料.因此研究该类结构在不同材料组分和梯度分布规律下的动力学特性,将为工程应用设计出理想的功能梯度材料提供理论指导,具有重要的理论意义和广阔的应用前景. ...
Dynamics of a cantilever beam attached to a moving base
1
1987
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
作大范围运动矩形薄板的建模理论和有限元离散方法
1
2003
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
作大范围运动矩形薄板的建模理论和有限元离散方法
1
2003
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Modal analysis of rotating composite cantilever plates
1
2002
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Nonlinear vibrations of functionally graded graphene reinforced composite cylindrical panels
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2022
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Large amplitude thermally induced vibrations of temperature dependent annular FGM plates
1
2019
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Nonlinear transient thermoelastic response of FGM plate under sudden cryogenic cooling
1
2021
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Free vibration analysis of rotating functionally graded rectangular plates
1
2016
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
作大范围运动FGM矩形薄板的动力学特性研究
3
2013
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
... 图2 和图3 是角速度分别取$\varOmega=3$ Hz和10 Hz,板功能梯度系数$N$分别取1和2的零次近似模型和一次近似模型计算得到的板外侧角点的横向变形图.从图2 中可以看出,本文模型的计算结果与文献[9 ]基本吻合,但是在最大变形处,计算结果存在微小差异.这是因为文献[9 ]是基于经典薄板理论,而本文是基于考虑剪切变形的Mindlin板理论,因而系统更显柔性,所以最大变形处偏大.比较图3 (a)和图3 (b)可以看出,$\varOmega=3$ Hz低速运动时,不考虑附加刚度项的零次近似模型计算结果收敛,当运动为高速运动$\varOmega=10$ Hz时,零次近似模型的计算结果则发散,而一次近似模型的结果依然收敛.说明未考虑附加刚度项的零次近似模型只适用于低转速工况,而一次近似模型既适用于低速,又适用于高转速工况. ...
... ]基本吻合,但是在最大变形处,计算结果存在微小差异.这是因为文献[9 ]是基于经典薄板理论,而本文是基于考虑剪切变形的Mindlin板理论,因而系统更显柔性,所以最大变形处偏大.比较图3 (a)和图3 (b)可以看出,$\varOmega=3$ Hz低速运动时,不考虑附加刚度项的零次近似模型计算结果收敛,当运动为高速运动$\varOmega=10$ Hz时,零次近似模型的计算结果则发散,而一次近似模型的结果依然收敛.说明未考虑附加刚度项的零次近似模型只适用于低转速工况,而一次近似模型既适用于低速,又适用于高转速工况. ...
作大范围运动FGM矩形薄板的动力学特性研究
3
2013
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
... 图2 和图3 是角速度分别取$\varOmega=3$ Hz和10 Hz,板功能梯度系数$N$分别取1和2的零次近似模型和一次近似模型计算得到的板外侧角点的横向变形图.从图2 中可以看出,本文模型的计算结果与文献[9 ]基本吻合,但是在最大变形处,计算结果存在微小差异.这是因为文献[9 ]是基于经典薄板理论,而本文是基于考虑剪切变形的Mindlin板理论,因而系统更显柔性,所以最大变形处偏大.比较图3 (a)和图3 (b)可以看出,$\varOmega=3$ Hz低速运动时,不考虑附加刚度项的零次近似模型计算结果收敛,当运动为高速运动$\varOmega=10$ Hz时,零次近似模型的计算结果则发散,而一次近似模型的结果依然收敛.说明未考虑附加刚度项的零次近似模型只适用于低转速工况,而一次近似模型既适用于低速,又适用于高转速工况. ...
... ]基本吻合,但是在最大变形处,计算结果存在微小差异.这是因为文献[9 ]是基于经典薄板理论,而本文是基于考虑剪切变形的Mindlin板理论,因而系统更显柔性,所以最大变形处偏大.比较图3 (a)和图3 (b)可以看出,$\varOmega=3$ Hz低速运动时,不考虑附加刚度项的零次近似模型计算结果收敛,当运动为高速运动$\varOmega=10$ Hz时,零次近似模型的计算结果则发散,而一次近似模型的结果依然收敛.说明未考虑附加刚度项的零次近似模型只适用于低转速工况,而一次近似模型既适用于低速,又适用于高转速工况. ...
曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析
1
2017
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析
1
2017
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Active-passive damping in functionally graded sandwich plate/shell structures
1
2018
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Active damping of geometrically nonlinear vibrations of sandwich plates with fuzzy fiber reinforced composite facings
1
2015
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Dynamic analysis of functionally graded plates using a novel FSDT
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2015
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Chaotic wave motions and chaotic dynamic responses of piezoelectric laminated composite rectangular thin plate under combined transverse and in-plane excitations
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2018
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Free vibration analysis of thin functionally graded rectangular plates using the dynamic stiffness method
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2018
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
做大范围运动复合材料板的动力学建模研究
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2010
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
做大范围运动复合材料板的动力学建模研究
1
2010
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
A bidirectional B-spline finite point method for the analysis of piezoelectric laminated composite plates and its application in material parameter identification
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2014
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Stability and free vibration analysis of thick piezoelectric composite plates using spline finite strip method
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2011
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
基于一阶剪切板理论的FGM板刚柔耦合动力学建模与仿真
1
2020
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
基于一阶剪切板理论的FGM板刚柔耦合动力学建模与仿真
1
2020
... 旋转叶片是典型的刚柔耦合非线性系统,越来越多的学者关注柔性叶片的大范围运动与自身弹性变形的刚柔耦合机理以及柔性体变形场的离散方法,对这些问题的研究已成为柔性多体系统动力学领域的热点和难点.自从Kane等[2 ] 揭示"动力刚化"现象以来,国内外许多学者均对板的刚柔耦合机理进行了多方位研究.刘锦阳等[3 ] 从连续介质力学出发,基于Jourdan速度变分原理,采用有限元法和假设模态法对均质材料旋转矩形薄板动力学响应进行了仿真,并对两种方法的结果进行了对比.Yoo等[4 ] 基于Kirchhoff假设,采用Rayleigh-Ritz方法描述三个维度的变形,考虑纵向和横向变形耦合及运动引起的动力刚化效应,研究了旋转复合材料悬臂板的不同纤维角对固有频率和模态的影响.Niu等[5 ] 运用哈密顿原理结合一阶剪切变形理论和冯·卡门几何非线性研究了受横向激励作用下的简支功能梯度石墨烯复合材料圆柱板的非线性振动问题.Javani等[6 ] 基于Mindlin板理论,采用广义微分求积法(generalized differential quadrature method,GDQM)研究了功能梯度环形薄板的热致振动问题.Alireza等[7 ] 通过Kirchhoff假设和一阶剪切变形理论确立非线性方程和边界条件,运用GDQM和Newton-Raphson迭代法对方程离散和求解,基于Crank-Nicolson方案获得温度场的函数,研究了FGM薄板遭遇温度突兀冷却的非线性热弹性瞬时响应.Li等[8 ] 和黎亮等[9 ] 基于假设模态法,考虑不同功能梯度系数对动力方程的影响,先后研究了FGM矩形薄板自由振动响应及弯曲和扭转之间的耦合模态和频率转向现象.刘璟泽等[10 ] 采用Kirchhoff-Mindlin理论假设剪切应变场规避剪切闭锁,使用有限元三角形单元进行变形场描述,对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动进行了分析.Moita等[11 ] 使用有限元法分析了复合板FGM层、压电层和具有黏弹性的核心夹层之间主动-被动阻尼[12 ] 的振动问题,FGM层和压电层皆用经典薄板理论建模,核心夹层使用三阶剪切变形理论建模.Mantari等[13 ] 基于只包含四个未知量的新型一阶剪切变形理论,通过哈密顿原理推导控制方程,对FGM板进行了自由振动分析.Zhang等[14 ] 采用摄动法,将压电复合材料矩形薄板在横向和面内激励下的复杂偏微分非线性运动控制方程转化为等效的可解非线性方程,进而分析了矩形薄板的运动响应.Subodh等[15 ] 基于动态刚度法对功能梯度矩形薄板的自由振动行为进行了分析.吴根勇等[16 ] 基于经典薄板理论,考虑二次耦合变形量,采用有限元法对复合材料板进行离散,建立了作大范围运动复合材料板的动力学方程,研究了材料铺层角度对复合材料变形的影响并和同性材料进行了差异对比.Li等[17 ] 和Akhras等[18 ] 均使用B样条法对变形场离散,分别对压电层复合板进行了方法优越性分析和稳定性分析.杨兴等[19 ] 从一阶剪切变形理论出发,使用有限元法对变形场进行离散,研究了作大范围运动功能梯度材料厚板的响应,并同经典薄板理论进行比较,验证了经典薄板理论的不足之处.然而,采用新的变形场离散方法,对考虑板剪切变形的旋转FGM板动力学问题的研究比较少见. ...
Mesh-free radial point interpolation method for the buckling analysis of Mindlin plates subjected to in-plane point loads
1
2004
... 本文采用无网格径向基点插值法[20 -21 ] 描述板的变形场,考虑材料非均匀性以及横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项,利用浮动坐标系法[22 ] ,基于一阶剪切变形理论,运用第二类拉格朗日方程建立了作旋转运动FGM矩形板的动力学方程.研究了作旋转运动功能梯度材料矩形板的动力学行为随功能梯度指数、转速、板纵横比的变化情况.同时对匀速转动的中心刚体与FGM矩形板系统自由振动固有频率的频率转向问题进行了研究. ...
径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用
2
2015
... 本文采用无网格径向基点插值法[20 -21 ] 描述板的变形场,考虑材料非均匀性以及横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项,利用浮动坐标系法[22 ] ,基于一阶剪切变形理论,运用第二类拉格朗日方程建立了作旋转运动FGM矩形板的动力学方程.研究了作旋转运动功能梯度材料矩形板的动力学行为随功能梯度指数、转速、板纵横比的变化情况.同时对匀速转动的中心刚体与FGM矩形板系统自由振动固有频率的频率转向问题进行了研究. ...
... 其中所对应的形函数${\mathbf \varPhi }_{1} $,${\mathbf \varPhi }_{2} $,${\mathbf \varPhi }_{3}$,$\mathbf \phi_{x} $,$\mathbf \phi_{y} $的定义可见文献[21 ].${\mathbf q}_{1} (t)$和${\mathbf q}_{2} (t)$为对应节点的纵向变形列阵,${\mathbf q}_{3}(t)$为相应节点横向变形和截面转角组成的列阵,对应$i$节点的表达式为:${\mathbf q}_{3i} (t)=\big[\begin{array}{*{20}c} {u_{3i} } & {\varphi_{xi} } & {\varphi_{yi} } \end{array}\big]^{\rm T}$ ...
径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用
2
2015
... 本文采用无网格径向基点插值法[20 -21 ] 描述板的变形场,考虑材料非均匀性以及横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项,利用浮动坐标系法[22 ] ,基于一阶剪切变形理论,运用第二类拉格朗日方程建立了作旋转运动FGM矩形板的动力学方程.研究了作旋转运动功能梯度材料矩形板的动力学行为随功能梯度指数、转速、板纵横比的变化情况.同时对匀速转动的中心刚体与FGM矩形板系统自由振动固有频率的频率转向问题进行了研究. ...
... 其中所对应的形函数${\mathbf \varPhi }_{1} $,${\mathbf \varPhi }_{2} $,${\mathbf \varPhi }_{3}$,$\mathbf \phi_{x} $,$\mathbf \phi_{y} $的定义可见文献[21 ].${\mathbf q}_{1} (t)$和${\mathbf q}_{2} (t)$为对应节点的纵向变形列阵,${\mathbf q}_{3}(t)$为相应节点横向变形和截面转角组成的列阵,对应$i$节点的表达式为:${\mathbf q}_{3i} (t)=\big[\begin{array}{*{20}c} {u_{3i} } & {\varphi_{xi} } & {\varphi_{yi} } \end{array}\big]^{\rm T}$ ...
Dynamic analysis of a system of hinge-connected rigid bodies with nonrigid appendages
1
1973
... 本文采用无网格径向基点插值法[20 -21 ] 描述板的变形场,考虑材料非均匀性以及横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项,利用浮动坐标系法[22 ] ,基于一阶剪切变形理论,运用第二类拉格朗日方程建立了作旋转运动FGM矩形板的动力学方程.研究了作旋转运动功能梯度材料矩形板的动力学行为随功能梯度指数、转速、板纵横比的变化情况.同时对匀速转动的中心刚体与FGM矩形板系统自由振动固有频率的频率转向问题进行了研究. ...
Analysis of functionally graded plates
1
2000
... 功能梯度材料通常是由两种材料混合而成,一种是陶瓷,一种是金属.对于FGM矩形弹性板而言,假定其板上表面为陶瓷,下表面为金属,两表面的中间部分由这两种材料组合物构成.本文FGM矩形板的材料表示如下:弹性模量$E(z)$,材料的密度$\rho (z)$,泊松比$\mu (z)$,可由下式表示[23 ] ...
1
2007
... 在径向基函数$R_{i} ({\mathbf x})$中,仅有表示计算点${\mathbf x}$和问题域中节点${\mathbf x}_{i} $之间距离的变量$r_{i}$,本文节点距离变量表达式为:$r_{i} =\sqrt{(x-x_{i} )^{2}+(y-y_{i} )^{2}}$,常用的径向基函数见文献[24 ].本文选取的径向基函数为2次函数,其中形状参数$\alpha _{\rm c} $和$q$分别为4和1.03.2次函数表达式为 ...
1
2007
... 在径向基函数$R_{i} ({\mathbf x})$中,仅有表示计算点${\mathbf x}$和问题域中节点${\mathbf x}_{i} $之间距离的变量$r_{i}$,本文节点距离变量表达式为:$r_{i} =\sqrt{(x-x_{i} )^{2}+(y-y_{i} )^{2}}$,常用的径向基函数见文献[24 ].本文选取的径向基函数为2次函数,其中形状参数$\alpha _{\rm c} $和$q$分别为4和1.03.2次函数表达式为 ...
Modal characteristic of a rotating rectangular cantilever plate
2
2003
... 为进一步验证本文所建模型的正确性,将功能梯度板退化为匀质薄板,同文献[25 ]中的计算结果进行比较.表1 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,中心刚体悬臂板无量纲角速度$\gamma=1$的前五阶无量纲固有频率.由表1 可知,本文结果同文献[25 ]基本吻合,且由于考虑剪切变形,系统更偏柔性,固有频率比文献中的结果都偏小.表2 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$N=2$,不同无量纲角速度$\gamma $下中心刚体FGM悬臂板前三阶无量纲固有频率.由该表知,随着无量纲角速度的增大,三种方法的无量纲固有频率皆增大,且基于一阶剪切变形理论的RPIM结果总是比基于经典薄板理论的假设模态法的数值小,说明忽略剪切变形的经典薄板理论总是高估了系统的固有频率.表3 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$\gamma=10$,$N$取不同值时,中心刚体FGM悬臂板前五阶无量纲固有频率.结果表明,随着$N$的增大,系统无量纲固有频率减小,进一步说明功能梯度系数越大,系统的柔性越大. ...
... 可知,本文结果同文献[25 ]基本吻合,且由于考虑剪切变形,系统更偏柔性,固有频率比文献中的结果都偏小.表2 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$N=2$,不同无量纲角速度$\gamma $下中心刚体FGM悬臂板前三阶无量纲固有频率.由该表知,随着无量纲角速度的增大,三种方法的无量纲固有频率皆增大,且基于一阶剪切变形理论的RPIM结果总是比基于经典薄板理论的假设模态法的数值小,说明忽略剪切变形的经典薄板理论总是高估了系统的固有频率.表3 为$\delta=1$,$\eta =0.01$,$\sigma =0$,$\gamma=10$,$N$取不同值时,中心刚体FGM悬臂板前五阶无量纲固有频率.结果表明,随着$N$的增大,系统无量纲固有频率减小,进一步说明功能梯度系数越大,系统的柔性越大. ...