FGM環(huán)扇形板的面內(nèi)自由振動分析

滕兆春， 朱亞文， 蒲 育

（1．蘭州理工大學 理學院，蘭州730050；2．蘭州工業(yè)學院 土木工程學院，蘭州730050）

1 引 言

板是土木、海洋、機械、核工業(yè)和航空航天等工程中重要的承載構件之一，環(huán)扇形板也經(jīng)常用于某些特殊結構中，因此對于環(huán)扇形板的力學行為，特別是環(huán)扇形板動態(tài)特性的分析研究具有十分重要的意義。環(huán)扇形板自由振動的核心問題是求解其固有頻率和相應振型。雖然有大量關于環(huán)扇形板橫向自由振動的研究文獻［1－3］，但是關于其面內(nèi)自由振動分析研究的文獻相對較少［4］。已有研究結果表明，面內(nèi)振動不僅對于高頻振動和能量傳輸起著重要作用，而且還與環(huán)境的輻射噪聲具有直接關系［5］。

近年來隨著新型材料的興起，功能梯度材料FGM（Functionally Graded Material）作為一種新型復合材料，具有減緩熱應力、殘余應力和應力集中等優(yōu)異力學性能［6］，故FGM 環(huán)扇形板在核工業(yè)、船舶和航空航天等高科技領域具有很大的應用價值。在實際應用中，F(xiàn)GM環(huán)扇形板的材料屬性一般均沿板厚度方向梯度變化，但也會遇到材料屬性沿徑向變化的情況，以滿足結構不同部位對材料性能使用的不同要求。目前，關于FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動問題的研究在國內(nèi)外還鮮有文獻報道。因此，本文考慮材料物性參數(shù)沿環(huán)扇形板的徑向按照冪級數(shù)形式梯度變化，用二維微分求積法DQM（Differential Quadrature Method）來研究FGM環(huán)扇形板的面內(nèi)自由振動問題。

2 控制微分方程的推導

如圖1所示，考慮單位厚度FGM環(huán)扇形板，其材料物性參數(shù)僅沿徑向變化，彈性模量為E，密度為ρ，泊松比為μ，外半徑為Ro，內(nèi)半徑為Ri，環(huán)扇形板的扇形角為φ，徑向位移分量為u，環(huán)向位移分量為v，環(huán)扇形板內(nèi)部（r＝Ri處）為完全金屬材料，外部（r＝Ro處）為完全陶瓷材料。FGM環(huán)扇形板的物性參數(shù)P（彈性模量E，密度ρ和泊松比μ）與徑向坐標r和梯度指標p滿足混合率公式（1）［7］，

式中Pm和Pc分別為金屬和陶瓷的物性參數(shù)。忽略

FGM環(huán)扇形板的體積力，由平面線彈性理論，在極坐標系下考慮其幾何方程：

物理方程：

運動方程：

將式（2，3）代入式（4，5）得

式中 （）（1）＝d（）／dr，t為時間。對于隨時間變化的諧波振動，F(xiàn)GM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的位移可假設為［8］

式中n為環(huán)向波數(shù)，I＝槡－1為虛數(shù)單位，ω為固有頻率。將式（8，9）假設的響應代入式（6，7）中，通過三角函數(shù)系的正交性可得FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的控制微分方程：

3 控制微分方程的無量綱化及其DQM離散

對方程（10，11）進行無量綱化處理，

式中 S2L＝Ec／［ρc（1－μ2c）］，β為環(huán)扇形板內(nèi)外半徑比，Ω為無量綱固有頻率。另外，F(xiàn)GM環(huán)扇形板在環(huán)向上采用M個均勻分布的節(jié)點，而在徑向上采用以插值基函數(shù)Lagrange多項式得到的節(jié)點，節(jié)點數(shù)為N。節(jié)點的選取形式為

式中 N×M為節(jié)點總數(shù)。為計算方便，取N＝M。參考文獻［9，10］，由式（13）可求得一階權系數(shù)矩陣以及二階權系數(shù)矩陣，并將式（12）代入式（10，11）

得式中i＝2，3，…，N－1，Aij和Bij分別為徑向一階導數(shù)的權系數(shù)和二階導數(shù)的權系數(shù)。

對FGM環(huán)扇形板考慮如下三種常見的邊界條件：

（1）四周固定（C－C－C－C）

在i＝1，N時，

在j＝1，M 時，

（2）內(nèi)外固定直邊自由（C－F－C－F）

在i＝1，N時，

在j＝1，M 時，

（3）四周自由（F－F－F－F）

在i＝1，N時，

4 面內(nèi)自由振動的特征值問題

方程（14，15）分別與式（16～21）邊界條件對應聯(lián)立，可以得到不同邊界條件下FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的邊值問題。該邊值問題可以用分塊矩陣的形式表示［11，12］

式中

對式（22）進行矩陣變換，消去 ｛wd｝后得FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的特征值問題：

式中 ［S］＝ ［Sbb］－ ［Sbd］［Sdd］－1［Sdb］，［I］為（2 N－4）階 單 位 矩 陣，特 征 向 量 ｛wb｝描 述 了FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的振型。

5 數(shù)值計算與結果分析

計算中FGM 選取由金屬材料Ti－4Al－4V和陶瓷材料ZrO2復合而成，其物性參數(shù)分別為［13］，Em＝122．7GPa，μm＝0．2888，ρm＝4420kg／m3，Ec＝132．2GPa，μc＝0．3，ρc＝3657kg／m3，通過MATLAB編寫關于特征值問題的無量綱頻率求解程序。表1～表3分別給出了節(jié)點數(shù)M＝N＝12，F(xiàn)GM 環(huán)扇形板在扇形角φ＝π／4，π，2π，內(nèi)外半徑比β＝0．2，0．4，環(huán)向波數(shù)n分別為1，2，3，4，梯度指標p分別為0，1，5，∞時，C－C－C－C、C－F－C－F和F－F－F－F三種邊界條件下的前3階無量綱固有頻率?？梢钥闯?，在相同邊界條件下，當β，p和φ一定時，無量綱固有頻率Ω隨n的增大而增大；當β，n和φ一定時，無量綱頻率Ω隨p的增大而減小，這反映了環(huán)扇形板材料由陶瓷向金屬過渡的特點；當β，n和p一定時，無量綱頻率Ω隨φ的增大而減少。表1～表3都給出了FGM環(huán)扇形板在扇形角φ＝π／4和β＝0．2時用有限元商用軟件ANSYS采用24×24個平面四邊形單元計算的固有頻率數(shù)值結果，與本文方法計算結果吻合良好，且取較少的節(jié)點數(shù)就能滿足精度所需，工作量較小，說明了DQM對于研究本問題的適用性與優(yōu)越性。

圖2分別為FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動在C－C－C－C，C－F－C－F和 F－F－F－F三種不同邊界條件下，前3階無量綱固有頻率Ω隨梯度指標p的變化關系曲線，其中參數(shù)p＝［0，100］，M＝N＝12，n＝1，β＝0．2，φ＝π／2?？梢钥闯觯攑小于10時，Ω隨p的增大而減??；當p大于10時，Ω隨p的增大而緩慢減小且趨于不變。這同樣反映了環(huán)扇形板材料由陶瓷向金屬過渡的特點。

圖3分別為 C－C－C－C，C－F－C－F和 F－F－F－F三種邊界條件下，F(xiàn)GM環(huán)扇形板在不同環(huán)向波數(shù)時第1階無量綱固有頻率Ω隨梯度指標p變化的關系曲線，其中參數(shù)M＝N＝12，β＝0．2，φ＝π／2。可以看出，當n，φ和β一定時，第1階無量綱固有頻率Ω均隨著梯度指標p的增大而減小，且逐漸趨于常數(shù)。當p，φ和β一定時，第1階無量綱固有頻率Ω隨著環(huán)向波數(shù)n的增大而增大。

圖4分別給出了FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動在C－C－C－C，C－F－C－F和 F－F－F－F三種不同邊界條件下，第1階無量綱固有頻率Ω隨參數(shù)β的變化關系曲線，其中參數(shù)β＝［0．1，0．6］，M＝N ＝12，n＝1和φ＝π／2。可以看出，當p一定時，第1階無量綱固有頻率Ω隨內(nèi)外半徑比β的增大而單調(diào)增加；當β一定時，第1階無量綱固有頻率Ω隨p的增大而減小，減小程度由明顯趨于緩慢，當p足夠大，Ω趨于常數(shù)。β＝0時，F(xiàn)GM環(huán)扇形板的面內(nèi)自由振動退化為FGM扇形板的面內(nèi)自由振動?？梢姳疚牡姆治龇椒ㄒ部梢杂糜谇蠼釬GM或均勻材料環(huán)扇形板以及扇形板等薄板結構的面內(nèi)自由振動問題。

表1 FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的無量綱頻率Ω（C－C－C－C，M＝N＝12）Tab．1 Dimensionless natural frequenciesΩof in－plane vibration for FGM annular sector plates（C－C－C－C，M＝N＝12）

表2 FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的無量綱頻率Ω（C－F－C－F，M＝N＝12）Tab．2 Dimensionless natural frequenciesΩof in－plane vibration for FGM annular sector plates（C－F－C－F，M＝N＝12）

表3 FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的無量綱頻率Ω（F－F－F－F，M＝N＝12）Tab．3 Dimensionless natural frequenciesΩof in－plane vibration for FGM annular sector plates（F－F－F－F，M＝N＝12）

圖2 FGM環(huán)扇形板的梯度指標與前3階無量綱固有頻率之間的關系曲線（n＝1，β＝0．2，φ＝π／2）Fig．2 Grade index vs dimensionless natural frequencies of FGM annular sector plates（n＝1，β＝0．2，φ＝π／2）

圖3 不同環(huán)向波數(shù)下FGM環(huán)扇形板梯度指標與第1階無量綱頻率之間的關系曲線（β＝0．2，φ＝π／2）Fig．3 Grade index vs dimensionless natural frequencies of FGM annular sector plates with different circumferential wave number（β＝0．2，φ＝π／2）

圖4 不同梯度指標下FGM環(huán)扇形板內(nèi)外半徑比與第1階無量綱頻率之間的關系曲線（n＝1，φ＝π／2）Fig．4 Internal and external radius ratio vs dimensionless natural frequencies of FGM annular sector plates with different grade index（n＝1，φ＝π／2）

6 結 論

基于平面線彈性理論，推導得到FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的運動控制微分方程，并進行無量綱化，用二維DQM將運動控制微分方程及其邊界條件在FGM環(huán)扇形板的環(huán)向和徑向離散，數(shù)值求解得到FGM環(huán)扇形板面內(nèi)自由振動的無量綱固有頻率。扇形角為!／4時的部分計算結果同有限元商用軟件ANSYS的計算結果進行了比較，結果一致，說明分析方法有效。最后考察了不同邊界條件下FGM環(huán)扇形板的材料梯度指標、內(nèi)外半徑比以及扇形角對于無量綱固有頻率的影響。得到以下主要結論。

（1）隨著DQM的節(jié)點數(shù)的增大，計算結果很快收斂，而且數(shù)值穩(wěn)定性較好。

（2）在改變材料梯度指標p時，F(xiàn)GM環(huán)扇形板的無量綱固有頻率Ω隨著梯度指標p的無限增大而趨于常數(shù)。

（3）在改變FGM環(huán)扇形板的內(nèi)外半徑比β時，環(huán)扇形板的無量綱固有頻率Ω隨著內(nèi)外半徑比β的增大而增大。

（4）在改變FGM環(huán)扇形板的圓心角度φ時，環(huán)扇形板的各階無量綱固有頻率Ω隨著扇形角φ的增大而減小。

（5）本文方法可以對任意扇形角的FGM環(huán)扇形板進行面內(nèi)振動的無量綱頻率進行求解，也可以用來求解FGM或均勻材料扇形板結構的面內(nèi)自由振動問題。