基于铁木辛柯梁理论的工字梁剪切变形计算方法研究

飞机机翼通常采用工字梁作为支撑结构,然而由于工字梁的几何参数改变,理论计算会受到影响,梁理论的选择会直接影响计算结果。目前,现有的工字梁挠度计算主要基于欧拉-伯努利梁理论,未充分考虑梁弯曲时存在的剪切变形。因此,本文提出了一种基于铁木辛柯梁理论的考虑剪切作用的工字梁计算方法,用于针对受集中力影响的工字梁进行计算。通过表征剪切变形对梁变形的影响,获得了剪切变形对梁的作用规律,并解释了剪切变形在梁中的变形机制。研究表明,当工字悬臂梁靠近固定端一定范围内以及梁的跨高比小于5时,计算时应考虑剪切变形的影响。该计算方法得出的内力计算理论结果与仿真及电测法结果基本一致,可以应用于实际工程计算中。

基于两种梁理论对变幅锥形杆弯曲振动的特性分析及参数设计

为了研究圆锥形杆自由振动的特性,分别基于欧拉-贝努力梁理论和铁木辛柯梁理论,建立变截面杆自由振动的分析模型。采用一种含三角函数的级数形式来表示欧拉-贝努利梁理论下杆的位移函数,以满足端部位移的条件;利用能量泛函极小化得到系数满足的线性方程组,进而获得不同边界条件下圆锥形杆在欧拉-贝努利梁理论下的若干阶固有频率;类似地,假设位移的级数形式并利用能量函数,建立锥形杆基于铁木辛柯梁理论的求解方法,可得各阶固有频率和模态;给出等截面杆在两种理论下固有频率的转化公式,并推广应用到圆锥形杆的固有频率近似转化。算例分析锥形杆截面参数对结构固有频率的影响,并基于目标设计频率和若干限制条件对锥形杆的尺寸进行设计。数值结果表明,在应用欧拉-贝努利梁理论和铁木辛柯梁理论时,所提方法都能够稳定收敛且计算效率高,具有较高的精确度。该研究工作为超声工程中变幅杆的动力学特性提供了计算依据。

用于夹层梁静动力及屈曲分析的新型组合结构单元

推导出新型组合结构单元,用于考虑界面滑移的3层部分作用夹层组合梁的静动力及屈曲特性分析.基于铁木辛柯梁理论,建立考虑夹层梁部分作用效应的能量原理.针对其受力特性,在节点位移、横截面转角和界面滑移插值时均采用含内部自由度的高阶插值函数,以解决含界面有限元数值分析中常遇到的“滑移锁定”现象.通过变分原理得到夹层梁的刚度矩阵、质量矩阵以及几何刚度矩阵的显示表达式.基于MATLAB编译相应夹层结构的有限元程序并验证其准确性.对不同截面3层夹层组合梁进行不同荷载条件和边界条件下的静动力及屈曲特性分析,并探讨不同夹层组合梁跨高比和不同界面抗剪连接刚度下的计算结果及其误差的变化规律.所推导的显示表达式新型组合结构单元计算效率高,并便于推广应用于其他有限元程序或商业软件子程序中.

CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性分析

为分析不同影响因素对CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性的影响,采用铁木辛柯梁理论对具有阶梯特征的工件进行动力学分析,结合锤击试验测得砂轮动态特性,对高速磨削过程中的砂轮-工件两自由度系统进行了磨削稳定性分析。在对阶梯工件进行动力学分析的过程中,发现阶梯特征对于动态特性的影响较小,误差小于2%。在稳定性分析中发现,不同的砂轮转速和不同的工件磨削位置均会影响磨削稳定性。磨削位置越靠近工件中心,工件刚度越弱,磨削稳定性降低易诱发颤振;而在靠近顶尖支撑的位置,由于工件刚度增强,该位置的磨削稳定性将同时受到工件和砂轮的动力学性能的影响。通过磨削试验验证了分析方法的有效性,试验结果表明,工件磨削位置的刚度差异将会影响加工表面质量,由磨削失稳导致的粗糙度增幅可达51.6%。

阻尼层复合材料夹芯梁的动力学性能

采用哈密尔顿原理,推导得到了阻尼层复合材料夹芯梁的偏微分振动平衡方程;使用Navier型闭环解得到梁的固有频率和损耗因子,并与其他文献中的解进行对比验证;最终揭示了夹芯复合材料梁动力学性能随结构参数的变化。结果表明:随着梁长度的增大,梁的固有频率逐渐减小,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,梁的长度存在最佳动力学设计值;增大阻尼层剪切模量,结构固有频率逐渐增大,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,阻尼层剪切模量也存在最佳动力学设计值;随阻尼层厚度的增大,结构的固有频率逐渐降低,一阶模态下的损耗因子逐渐增大,但是其余模态下的损耗因子呈现先变小后增大的规律;中间层损耗因子值对频率的影响不大。

剪切梁结构扭矩传感器的应变解析

为实现对机器人在复杂情况下的灵活控制,需要在机器人关节处增加扭矩传感器,扭矩传感器是获取机器人关节运行状态的重要检测部件。考虑机器人自身尺寸限制及工作场景等因素,扭矩传感器采用轮辐式结构。本文介绍了扭矩传感器的结构和工作原理,分析了传感器弹性横梁在扭矩载荷作用下的变形协调条件,基于变形协调条件和铁木辛柯梁理论推导了剪切梁的应变计算公式,并建立了简化力学解析模型。通过有限元分析对力学模型的准确性和对弹性体结构参数的敏感性进行了验证。算例结果表明,该简化力学模型得出的结果和有限元结果数值相对误差在8.9%以内,表明了该简化力学解析模型的准确性。

盾构隧道纵向结构变形模式及理论模型

盾构隧道在长期运营中极易发生不均匀沉降及纵向结构变形,因而有必要建立隧道纵向结构计算模型,分析隧道纵向变形及内力特征。首先探讨隧道纵向变形模式,将隧道变形归纳为两种模式:(1)弯曲变形模式;(2)错台变形模式。其次针对现有纵向结构计算模型进行总结并分析其优缺点,根据模型的简化过程将现有模型归纳为两类:(1)纵向管片环-接头模型;(2)纵向等效连续化模型。针对隧道实际剪切错台变形的特点,重点介绍一种基于铁木辛柯梁理论的隧道纵向连续化模型,并通过实例分析其优越性。

考虑气压效应平流层平台柔性飞艇变形分析方法与特征研究

为研究气压对平流层飞艇变形性能的影响,基于铁木辛柯梁分析理论,将低阻尼流线形飞艇假设为分段等截面充气梁,采用叠加法推导了考虑气压效应的柔性飞艇总体挠度计算式。同时,将柔性飞艇作为预应力薄膜结构,应用ANSYS软件,采用小杨氏模量法进行充气预应力找形,并基于找形结果进行载荷下非线性变形分析。在此基础上计算了飞艇外气囊在不同头部荷载与气压下的总体挠度并比较了两种方法的计算值,发现两者变化趋势一致。最后,建立了25 m验证飞艇的计算模型,得到了控制点应力和总体变形;给出了飞艇下腹线在不同气压下的位形,将其与测量值进行比较表明:计算值和测量值基本相等,误差小于5%。本文对大型柔性飞艇设计分析具有一定的参考价值。

薄膜充气梁有限元分析方法与结构特性研究

文章采用3种数值计算模型对薄膜充气梁进行分析研究。首先基于铁木辛柯梁线弹性分析理论,考虑充气压力效应,推导薄膜充气梁非对称单元刚度矩阵,采用稀疏矩阵存储,应用共轭梯度法求解有限元平衡方程,并用VC编程实现;然后提出了分别采用壳单元和预应力薄膜单元的非线性有限元分析模型,并给出了基于ANSYS的数值分析过程与方法;通过对薄膜充气梁的参数特征分析,考察了3种计算模型的适用性,分析结果揭示了薄膜充气梁复杂的结构行为特性。

非理想矩形锚单元的节点分析法

为了在节点化设计方法中考虑非理想锚效应,采用铁木辛柯梁理论和加权余量法建立了非理想矩形锚单元的节点化模型,在Hspice中构建了相应的等效电路。结合已有单元模型,实现了静电执行器的系统级仿真,与有限元模拟结果吻合较好,可模拟出非理想矩形锚对系统静态和动态特性的影响。

移动荷载作用下周期性高架铁路的桩–土–结构耦合动力学模型

在移动载荷作用下,周期性高架铁路的上部结构、桩基础及地基会产生耦合振动。为了考虑上述耦合作用,建立了桩土边界元模型来确定桩基础的柔度。根据墩和梁的振动方程推导了墩和梁的传递矩阵;根据梁–梁–墩接头处的联结条件,建立了接头处的传递矩阵。为提高精度,采用铁木辛柯梁理论来描述墩和梁的弯曲振动。通过Fourier变换和序列Fourier变换,把周期性高架铁路对单个移动载荷频域内的动力响应表示为响应函数沿代表跨的积分。利用上述墩和梁及接头处的传递矩阵和桩基础的柔度,得出了耦合情形下高架铁路的响应函数。本文的数值结果表明,刚性支撑和桩基础支撑的周期性高架铁路在单个移动载荷作用下的动力响应有明显差别。

Y形横梁六维力/力矩传感器的应变分析

设计电阻应变式六维力/力矩传感器的前提是预知其弹性结构的应变分布,而传统的基于几何建模的有限元分析设计方法存在耗时长、效率低等问题。针对Y形横梁六维力/力矩传感器的弹性结构,提出一种高效、精确的解析分析方法。详细考察了该六维力/力矩传感器弹性横梁在各轴力/力矩载荷作用下的变形特征,基于铁木辛柯梁理论建立简化的力学模型,从而解析地得到各轴力/力矩载荷作用下弹性横梁中应变的显式表达式,与有限元模拟进行对比。结果表明:解析模型给出的预测结果与有限元数值解基本吻合,说明了该解析模型的正确性和有效性,从而为Y形横梁六维力/力矩传感器的设计提供了高效、精确的解析手段。