小样本数据下圆柱薄壳初始缺陷不确定性量化的极大熵方法

具有不确定性特征的初始缺陷被认为是导致薄壳结构实际临界载荷值与理论解不相符并呈现分散特征的主要原因.对实际薄壳结构初始缺陷的建模至少需要考虑两个方面的不确定性量化,一是对缺陷分布形式和幅值等固有随机性的量化,二是对小样本量和不准确测量所导致缺陷统计量的不确定性的量化.本文在利用随机场的Karhunen-Loeve展开法对薄壳初始几何缺陷建模的基础上,提出一种基于极大熵原理的缺陷建模方法.首先,采用极大熵分布来估计Karhunen-Loeve随机变量的概率密度函数,以适应不能使用高斯随机场进行缺陷随机场建模的情况.随后,通过将经典的等式约束极大熵模型扩展为区间约束极大熵模型,实现对实际工程中仅能获得少量薄壳结构几何缺陷样本数据所导致的认知不确定性的量化.最后,将所提方法用于对国际缺陷数据库的A-Shell进行缺陷建模和临界载荷预测.研究表明,所提基于区间约束极大熵原理的随机场建模方法在能够有效表征实测数据高阶矩信息的同时,还具备量化小样本数据导致的认知不确定性的能力,并且高斯随机场模型和基于等式约束极大熵原理的随机场模型是本文所提建模方法的两种特殊情况.

充水有限长圆柱薄壳声散射:Ⅰ.理论

研究水中充水有限长圆柱薄壳的声散射。采用弹性薄壳理论结合边界条件导出了有限长圆柱薄壳倾斜入射时散射声场的解析解,内部充水的作用反映在系统总阻抗中增加了内部流体阻抗。数值计算表明,在反向散射声场中,刚性散射部分仅在正横附近有比较大的贡献,而斜入射时起主要作用的是弹性散射部分。散射波相速度频散曲线的计算表明,与内部真空的情况相比内部充水后除正横附近的纵波和剪切波以外,增加了一组内部流体引起的附加波,其对散射声场贡献非常重要。在计算的频率-角度谱图中,内部流体附加波呈现"碗"形共振曲线。

充水有限长圆柱薄壳声散射:Ⅱ.实验

从实验和理论上研究了充水有限长圆柱薄壳的声散射。实验采用指向性尖锐的宽带收发合置换能器,发射宽带调频信号和单频窄脉冲信号进行测量,所得结果分别在时域和频域上与理论计算结果相对比,证明其吻合程度很好。理论和实验的结果表明,内部充水圆柱壳在频域上增加了一组由内部流体负载引起的附加波的共振;而在时域上增加了一系列由于声波在壳体内来回反射产生的"回音廊"式回波。频率-角度图中"碗"形亮线出现分簇的原因解释为前几种模式"回音廊"式回波叠加的结果。

光电层合圆柱薄壳的激励特性及控制

光致伸缩材料(如铁电陶瓷材料镧改性锆钛酸铅)在高能光束照射下具有光致形变效应,可应用于柔性结构的非接触激励与控制。在研究光致伸缩作动器光-电-热-力等能场耦合机理基础上,构建出光致伸缩作动器的数学模型,推导出光电层合圆柱壳振动控制方程。利用模态控制因子对不同布局下作动器的控制效果做出评价,同时对变曲率圆柱壳的薄膜作用与弯曲作用进行了较深入研究。最后,利用Lyapunov与速度比例反馈控制对所提出的布局进行了振动主动控制分析,结果表明分布式光致伸缩作动器对圆柱薄壳低频振动的控制效果良好。

圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合模型

针对弹性圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合问题.采用相容拉格朗日-欧拉法,建立了问题的模型及理论分析方程组,着重求解壳体发生弯曲大变形时的法向位移和流体表面压力系数.结果表明:在横向绕流场作用下,壳体横截面由圆形变形为近似椭圆形,同时,壳体变形也对壳体表面流场压力产生了影响.通过算例,讨论有关参数对壳体法向位移和表面流体压力系数的影响.研究成果可供利用相容拉格朗日-欧拉法解决弹性弹性圆柱薄壳与粘性流体相互作用问题时参考.

弹性圆柱薄壳在流体中的变形与内力分析

应用薄壳弹性理论及流体力学基本方程,给出了圆柱壳在流体中流固耦合问题的基本关系式。阐述并应用相容拉格朗日-欧拉方法推导出流体绕壳横向流动时弹性圆柱薄壳的小弯曲变形问题的方程,并求解了流场的速度势和壳体的变形及内力分布。通过具体算例,绘出了流场分布图,讨论了有关参数变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响。

偏心圆柱薄壳输入功率流特性研究

根据偏心圆柱薄壳截面的几何特性,将偏心圆柱薄壳问题转化为周向变厚度圆柱壳问题。基于Flügge薄壳理论推导出偏心圆柱薄壳的受迫振动方程,采用波传播的思想将偏心柱壳位移以双Fourier级数形式展开,周向变厚度表示为周向角度坐标的函数,通过三角函数变换将变系数的偏微分方程组转换为周向模态阶数相互耦合的有限阶线性方程组,通过对耦合方程进行求解得到偏心柱壳的位移响应,进而计算壳体的输入功率流。通过与文献及FEM结果进行对比,验证了所建立的偏心柱壳振动理论模型及计算方法的准确性。同时,详细计算并分析了激励力位置、偏心率、壳体厚度和材料阻尼等参数对偏心柱壳输入功率流的影响。

圆柱薄壳稳定性的一个修正理论

著名的唐乃尔(Donnell)——穆什塔利的简化壳体理论只能较精确地适用于较短圆柱壳稳定性计算.其近似性误差随长度与半径之比的增加而增大.本文考虑了横向切力的影响,对非完善型圆柱壳体推导了几何非线性理论的基本方程,建立了对各种长度半径比的圆柱壳体稳定性均适用的修正理论.

含裂纹圆柱薄壳的动态特性试验研究

利用时间平均法分别拍摄了含轴向和环向裂纹圆柱薄壳的激光全息振型图,讨论了裂纹对圆柱薄壳振型及固有频率的影响,把含裂纹壳体的振型分为三个区,即:裂纹周围的局部振动区,壳体原振动区和过渡区.并着重分析了局部振动的特征,得出了局部振动有着自己的独有振形和固有频率的结论,从而很好解释了含裂纹圆柱薄壳的复杂振型图及固有频率的反常变化。

圆柱薄壳的动相变屈曲行为

利用MTS809材料试验机对TiNi圆柱薄壳进行了轴向动渐进相变屈曲实验,对轴向冲击下处于伪弹性状态的TiNi合金柱壳的动相变屈曲行为进行了数值模拟研究。结果表明,不同的加载强度将会激发出柱壳不同的动屈曲响应模态。当冲击速度较高时,柱壳两端首先形成轴对称环形相变屈曲波纹,并产生应力平台;随着马氏体含量不断增加,环形相变屈曲波纹逐渐贯穿整个壳体,名义应力缓慢抬升;当名义应变超过一定阈值时,对称环形屈曲模态突变为非轴对称块状屈曲模态,名义应力大幅下降。撞击速度为40 m/s的算例(含10%随机缺陷)与S.Nemat-Nasser等的实验结果很好吻合,说明本文中计算模型、方法和结果的有效性经过了实验的考核。结果还表明,相变耗能是TiNi柱壳吸收冲击能量的主要机制,适合制作可重复使用的高效吸能元件,并给出了相应的理想厚径比。

具有非线性表面换热系数半圆柱薄壳在快速冷却过程中的热分析

用实验和数值计算相结合的方法 ,得到半圆柱壳体快速冷却过程中内外表面的非线性表面换热系数。在此基础上 ,用有限单元法对半圆柱壳体的热应力和变形进行了分析。在数值计算中 ,模拟钢的CCT图 ,计算了奥氏体、珠光体、贝氏体和马氏体的体积百分比 ,并将热物理性质和力学性能处理为相变体积百分比和温度的函数。所得结果表明 ,在半圆柱壳体快速冷却过程中的热应力和变形计算中 ,有必要考虑非线性表面换热系数。

拉压不同模量圆柱薄壳在均匀轴压下的对称失稳

本文以不同模量弹性理论为基础,利用能量法导出了拉压不同模量圆柱薄壳在均匀轴压下对称失稳时临界载荷的计算公式。

流-固冲击载荷作用下圆柱薄壳的动力屈曲研究

研究流-固冲击载荷作用下的圆柱薄壳动力屈曲问题。运动方程采用Karman-Donnell运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值计算方法对Karman-Donnell运动方程进行求解。结果表明:均匀径向外压对圆柱壳的轴向冲击过程和冲击性态有较大的影响。讨论了径向压力与轴向冲击载荷的幅值对结构临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷的影响。

圆柱薄壳结构动态综合优化

根据低噪声水下航行器壳体的设计要求,通过分析水下圆柱壳体结构振动和声辐射特性,及应满足的稳定性和强度要求,得出了低噪声圆柱薄壳结构优化设计方法。运用MATLAB优化工具箱对鱼雷圆柱壳体进行了结构优化设计,通过分析得出该圆柱壳体应满足的约束条件,得出了优化结果。

变速旋转圆柱薄壳动力稳定性研究

本文开展了变速旋转圆柱薄壳动力稳定性研究.基于Donnell薄壳理论建立同时考虑变转速和周期轴向力的圆柱壳体振动微分方程;采用多尺度方法,推导系统主参数不稳定区和组合不稳定区边界的解析表达式;分别探讨仅考虑周期轴向力、仅考虑变转速以及同时考虑两种时变因素时,系统主参数不稳定区和组合不稳定区的变化规律;通过与文献结果以及数值结果的对比,验证了解析结果的准确性.

浸没圆柱薄壳远场辐射声场的理论预估

以薄壳振动理论和结构－流体声振耦合理论为基础，运用边界积分方程建立了浸没在无界重质流体中两端有障圆柱形薄壳的强迫振动方程．用Ｆｏｕｒｉｅｒ变换方法给出了壳体位移的理论表达式，并对浸没薄壳的远场辐射声场进行了理论预估．研究结果对该类壳体的噪声和振动控制提供了理论基础．

非轴对称载荷作用下圆柱薄壳的解析解

求解非轴对称载荷作用下圆柱薄壳的变形及应力状态问题,在工程中普遍存在。将电磁轨道发射装置中的发射管外壁,在工作状态下简化为非轴对称载荷作用下有限长的圆柱薄壳;给出了分析变形与应力状态的基本方程;在设定载荷及位移函数的基础上,应用Galerkin法求得了应力与位移的解析解;通过具体算例,将所得的计算结果与Ansys数值解进行了对比分析,验证了解析解的正确性。研究结果可供圆柱薄壳非轴对称问题的理论求解和相应的工程设计参考。

导电圆柱薄壳的热磁弹性效应分析

研究了磁场环境中受机械载荷作用的导电圆柱薄壳的热磁弹性问题.首先,根据电动力学方程和广义Ohm定律,得到了导电薄壳电流密度的分布,考虑到Joule热效应及热平衡方程,得到了导电薄壳的温度分布.其次,通过几何方程、物理方程、运动方程和电动力学方程导出了导电薄壳在机械场、电磁场以及温度场作用下的基本方程.最后,采用差分法及准线性化方法,得到了可以应用离散正交法求解的准线性微分方程组.对于导电圆柱薄壳,得到了Lorentz力表达式,并且推导了温度场积分特征值.讨论了导电圆柱薄壳应力、温度及变形随外加电磁参量的变化规律,并通过实例证实了可以通过改变电、磁、力场的参数来实现对薄壳的应力、应变、温度的控制.

含45°斜裂纹圆柱薄壳动态特性试验研究

测量了含45°斜裂纹圆柱薄壳的固有频率并拍摄了相应的激光全息振型图．实验表明斜裂纹比轴向和环向裂纹对壳体动态特性的影响更大,致使振型图发生了严重畸变而显得相当复杂,利用传统思路难以找到裂纹长度对壳体动态特性的影响规律．为此,把裂纹周围的振动看作为一种独立的局部振动,从而把含斜裂纹壳体的各种复杂振型划分为3类:纯局部振动振型、纯原振动振型、局部振动和原振动耦合振型．其中前两种振型的固有频率皆随裂纹的加长而降低,但对于耦合振型有时会出现“随裂纹加长频率反而升高的现象”, 这是由于把壳体原振动的频率和局部振动的频率相混淆而产生的错觉．

水压爆破圆柱薄壳结构物的动力响应分析

以爆炸力学理论为基础，对水压爆破圆柱形薄壁结构物在集中药包爆炸荷载作用下结构的动力响应特性和水压爆破机理进行了理论研究和分析，建立了不同材质的结构物在不同爆炸荷载作用下的药量计算公式。