彈性支撐及連接邊界的多跨曲梁面內(nèi)自由振動(dòng)分析

周海軍，李玩幽，呂秉琳，李文龍

(1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.韋恩州立大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，底特律48202)

曲梁結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高等特點(diǎn)在現(xiàn)代土木、航天、船舶、汽車等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，在其多樣的結(jié)構(gòu)振動(dòng)中尤其又以面內(nèi)振動(dòng)引起了眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.孫建鵬等［1］采用傳遞矩陣法求解了單跨曲線箱型截面梁的固有特性.袁駟等［2］對(duì)平面變截面曲梁面內(nèi)自由振動(dòng)的自適應(yīng)有限元法進(jìn)行了求解分析.武蘭河等［3］通過(guò)微分容積法將曲梁自由振動(dòng)的控制微分方程和邊界方程離散成為一組齊次線性方程組的典型特征值問(wèn)題，求解得到曲梁自由振動(dòng)特性.Chidamparam［4］等采用迦遼金法對(duì)弓形結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)進(jìn)行了研究.眾多學(xué)者采用有限元法對(duì)各種結(jié)構(gòu)的曲梁進(jìn)行了研究［5－7］.Kang等［8］采用波傳播方法對(duì)面內(nèi)曲梁系統(tǒng)的自由振動(dòng)進(jìn)行了研究.李天勻等［9］、單德山等［10］在振動(dòng)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了曲梁結(jié)構(gòu)的功率流及曲梁結(jié)構(gòu)梁橋的車橋耦合振動(dòng).

李文龍［11］提出了一種改進(jìn)傅里葉級(jí)數(shù)方法分析任意支撐邊界的直梁振動(dòng)特性，并將其引入多跨直梁及任意邊界板結(jié)構(gòu)分析［12－14］.

本文基于李提出的方法，對(duì)多跨曲梁面內(nèi)自由振動(dòng)特性進(jìn)行求解分析.將曲梁面內(nèi)徑向和切向位移函數(shù)表示成傅里葉級(jí)數(shù)加上一個(gè)輔助多項(xiàng)式函數(shù)的形式.采用瑞利－里茨方法求解基于能量原理的哈密頓方程，得到關(guān)于未知位移幅值系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)特征值問(wèn)題.將支撐及連接邊界定義為各個(gè)方向的彈性剛度，可以通過(guò)設(shè)定數(shù)值大小簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳統(tǒng)邊界的模擬，同時(shí)可以研究在彈性支撐與連接下的固有特性.

1 多跨曲梁理論

如圖1所示的多跨曲梁結(jié)構(gòu)，其支撐及連接都由彈性剛度提供.ki，w0和 ki，w1，Ki，w1和 Ki，w0，ki，μ0和ki，u1分別為第i段曲梁在左右兩端的徑向，扭轉(zhuǎn)，切向支撐剛度分別為第i和i+1段曲梁之間3個(gè)方向的連接剛度.

圖1 多跨曲梁模型Fig.1 Model of multi-curved beams

其面內(nèi)振動(dòng)控制微分方程為

式中:ui、wi、Ei、Ii、Ri、ρi和Ai分別為切向位移、徑向位移、楊氏模量、慣量、半徑、密度和截面積，s為曲線坐標(biāo)，ω為圓頻率.

其應(yīng)變?chǔ)舏，轉(zhuǎn)角φi，曲率變化χi可以表示為

將切向和徑向位移寫成如下形式:

其中，

基于能量原理的哈密頓方程表示為

其中將總的勢(shì)能V定義為

式中:N表示曲梁跨數(shù).

將總的動(dòng)能表示為

在式(13)中Vb，i表示曲梁i的勢(shì)能:

式中:右邊第1、3項(xiàng)括號(hào)內(nèi)為負(fù)號(hào)時(shí)表示曲梁i和i+1有相同的曲率法線方向時(shí)的表達(dá)式;而正號(hào)為相反時(shí)的表達(dá)式.

根據(jù)瑞利－里茨方法求解，先將位移表達(dá)式(6)、(7)代入式(13)、(14)，之后對(duì)每個(gè)未知幅值系數(shù)求導(dǎo)并令其等于0.例如，當(dāng)有相同曲率時(shí)對(duì)未知系數(shù)ai，m'求導(dǎo)得到的方程為

其中:

其他未知系數(shù)的求導(dǎo)表達(dá)式不再一一給出.

將式(6)、(7)中的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)截?cái)嗟絤= M和n=N之后，將求導(dǎo)得到的方程整理成矩陣表達(dá)形式:

2 單跨及雙跨曲梁結(jié)果分析

首先考慮一個(gè)在不同傳統(tǒng)邊界，即在固支，簡(jiǎn)支及自由邊界條件下單跨曲梁的振動(dòng)特性，其參數(shù)為: E=2.1×1011Pa，I=7.854 0×10－9m4，R=1 m，ρ=7 800 kg·m－3，A=3.141 59×10－4m2，以及L =1.047 2 m(即一個(gè)半徑為1 m，跨度為60°的曲梁長(zhǎng)度).文中傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)到M=N=20.將彈簧剛度系數(shù)設(shè)置為0或一個(gè)無(wú)窮大數(shù)可以模擬自由或固支邊界，本文數(shù)值取k=1×1012N·m－1.表1～3列出了其前10階固有頻率與在有限元軟件ANSYS中仿真結(jié)果的對(duì)比.有限元模型中曲梁劃分成30個(gè)單元.

表1 單跨曲梁固支邊界結(jié)果對(duì)比Table 1 The comparing results of a single-span curved beam with C-C boundary conditions

表2 單跨曲梁簡(jiǎn)支邊界結(jié)果對(duì)比Table 2 The comparing results of a single-span curved beam with S-S boundary conditions

表3 單跨曲梁自由邊界結(jié)果對(duì)比Table 3 The comparing results of a single-span curved beam with F-F boundary conditions

圖2為固支邊界前四階振型與ANSYS所得振型的對(duì)比.將其振型分解到整體坐標(biāo)x，y方向，歸一化到1之后進(jìn)行對(duì)比.由固有頻率和振型的對(duì)比可以看出本文方法是正確的.

圖2 前四階振型與有限元的對(duì)比Fig.2 The first four mode shapes compared with FEA results

選取一個(gè)L=1.570 8 m(即一個(gè)半徑為1 m，跨度為90°的曲梁長(zhǎng)度)，其他參數(shù)同上一個(gè)算例，將徑向和切向支撐剛度設(shè)定為k=5×105N·m－1，扭轉(zhuǎn)支撐剛度設(shè)定為k=0 N·m－1以模擬彈性支撐邊界.其前10階固有頻率與在有限元軟件ANSYS中仿真結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表4，可見(jiàn)彈性邊界結(jié)果也是正確的.

表4 單跨曲梁彈性邊界結(jié)果對(duì)比Table 4 The comparing results of a single-span curved beam with elastic boundary conditions

為了驗(yàn)證本文在多跨曲梁處理的正確性，選擇了一個(gè)兩跨曲梁模型，每跨曲梁的參數(shù)都與第1個(gè)算例相同，兩跨曲梁擁有相反的曲率方向.兩端邊界取為固支邊界，連接剛度也取為剛性，其剛度參數(shù)設(shè)置具體為:k1，w0=K1，w0=k1，u0=1×1012N·m－1，k2，w1=K2，w1=k2，u1=1×1012N·m－1，k1，w1=K1，w1=k1，u1=0 N·m－1，k2，w0=K2，w0=k2，u0=0 N·m－1以及.表5列出了其前10階固有頻率與有限元軟件ANSYS中仿真結(jié)果的對(duì)比.

表5 雙跨曲梁固支邊界結(jié)果對(duì)比Table 5 The comparing results of a two-span curved beams with C-C boundary conditions

圖3列出了前四階振型.圖3(a)中為第1和第3階振型，為對(duì)稱振型;圖3(b)中為第2和第4階振型，為反對(duì)稱振型.可以看出在多跨曲梁的處理上也是正確的.

圖3 前四階振型Fig.3 The first four mode shapes

圖4 兩跨曲梁中間連接剛度對(duì)其前4階頻率的影響Fig.4 The effect of connecting stiffnesses between twospan curved beams on the first four frequencies

3 結(jié)論

本文采用一種改進(jìn)的傅里葉級(jí)數(shù)方法，對(duì)多跨曲梁面內(nèi)自由振動(dòng)特性進(jìn)行求解分析.采用瑞利－里茨方法求解基于能量原理的哈密頓方程，得到關(guān)于未知位移幅值系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)特征值問(wèn)題.將支撐及連接邊界定義為各個(gè)方向的彈性剛度，可以通過(guò)設(shè)定數(shù)值大小簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳統(tǒng)邊界的模擬，同時(shí)改變連接彈簧勢(shì)能中的正負(fù)號(hào)可以模擬具有相同或相反曲率法線方向的多跨曲梁.求解了單跨固支、簡(jiǎn)支、自由邊界及彈性支撐邊界模型結(jié)果及兩跨固支、相反曲率法線方向模型的結(jié)果，通過(guò)與有限元軟件ANSYS模型所得結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了方法的正確性.并分析了兩跨固支曲梁中間連接剛度對(duì)固有頻率的影響，中間連接剛度的降低首先影響到高階頻率，并且都在某個(gè)剛度區(qū)域發(fā)生頻率的突然變化.

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