黏弹性层合悬臂薄壁圆柱壳的模态特性研究

基于薄壳理论和黏弹性理论,得出了黏弹性层合悬臂薄壁圆柱壳模态特性的半解析解.根据乐甫薄壳理论,建立了基层和黏弹性阻尼层薄壁圆柱壳的一阶状态微分方程,结合黏弹性阻尼层的变形协调关系和层间作用力关系,利用传递矩阵法得出了整体结构的传递矩阵,采用高精度的精细积分法得出了固有频率、模态损耗因子和三维模态振型,最后通过有限元法进行了比较,通过算例验证了传递矩阵法对黏弹性层合薄壁圆柱壳模态特性研究的有效性.

损伤黏弹性层合中等厚板的非线性动力学行为

研究了考虑横向剪切变形和损伤缺陷的黏弹性复合材料层合板在横向周期激励下,损伤对黏弹性板非线性动力学行为的影响.基于一阶剪切变形理论、Boltzmann线性叠加原理和Galerkin技术,建立了反对称正交铺设损伤黏弹性复合材料层合板的非线性控制方程.具体讨论了损伤对黏弹性板非线性动力学行为的影响.

基于Morris灵敏度分析的弹性-黏弹性层合板阻尼性能代理模型构建

以构建嵌入开孔阻尼层的弹性-黏弹性层合板阻尼性能代理模型从而加速阻尼优化过程为目标,分别应用摄动法和Morris方法分析层合板一阶模态阻尼比的参数灵敏度,筛选高敏感参数,并使用多项式响应面法对模型阻尼性能进行拟合,以构建代理模型;进一步预测新采样点层合板的模态阻尼比并计算其均方根误差,评价代理模型的代理性能。针对一嵌入开孔阻尼层的金属夹层板进行验证计算,结果表明:通过Morris方法灵敏度分析建立的代理模型在降低模型维数的同时,与采用摄动法筛选关键参数所建立的代理模型相比,具有更好的代理性能。

钢管叠层黏弹性阻尼器性能研究

设计钢管空心叠层黏弹性阻尼器、钢管实心叠层黏弹性阻尼器和钢管阻尼器三个试件,对其进行低周往复加载试验和有限元模拟分析,对比研究了三种阻尼器的工作机理、破坏特征和滞回性能。结果表明:钢管空心叠层黏弹性阻尼器和钢管实心叠层黏弹性阻尼器滞回曲线对称且饱满,具有稳定的耗能性能和工作性能,在1mm位移下就可屈服耗能,等效黏滞阻尼比在10%左右,16mm位移时等效黏滞阻尼比大于40%。叠层黏弹性体可与钢管协同工作,使钢管具有较好的防止屈曲的能力,空心叠层黏弹性体和实心叠层黏弹性体始终处于弹性状态。钢管空心叠层黏弹性阻尼器比钢管实心叠层黏弹性阻尼器耗能性能更好,耗能效率更高,材料用量更少。钢管中部削弱可以使阻尼器变形和耗能集中在削弱部位,避免阻尼器端部连接破坏。钢管空心叠层黏弹性阻尼器和钢管实心叠层黏弹性阻尼器力学模型可以简化为双线性模型。

夹杂黏弹性阻尼层的复合材料结构多目标优化设计

黏弹性阻尼层为黏弹性复合材料带来了良好的阻尼性能,但也降低了整个复合结构的强度,两者必须兼具方能满足实际需要。本研究运用高阶位移模式建立损耗因子和强度的计算模型,对黏弹性复合材料结构分别进行单目标和多目标优化。结果表明:改进的遗传算法能够运用于黏弹性复合材料结构的阻尼和强度性能优化中,且多目标优化可以综合考量评价复合结构的阻尼和强度性能。

桥台后路堤多级加载下黏弹性饱和成层软土地基一维固结分析

将桥台后路堤荷载简化为横截面梯形分布的半无限条形荷载,基于Boussinesq弹性力学解答推导得到桥台后软土地基内竖向附加应力计算公式,由此考虑初始孔隙水压力非均匀分布特性。结合桥台后路堤多级加载的Laplace变换递推公式,运用Laplace变换及其逆变换方法求解Terzaghi固结与Kelvin黏弹性应力应变联合微分方程,获得桥台后路堤多级加载条件下黏弹性饱和成层软土地基固结变形解答。算例分析结果表明:该解答具有合理性和可靠性,计算结果可为桥台后软土地基沉降分析提供参考。

双曲型钢管叠层黏弹性阻尼器性能分析研究

提出一种双曲型钢管叠层黏弹性阻尼器,介绍构造、原理与特点。采用ABAQUS软件,建立钢管阻尼器、双曲型钢管阻尼器、钢管叠层黏弹性阻尼器和双曲型钢管叠层黏弹性阻尼器4种阻尼器有限元模型,从应力分布、力学性能进行模拟分析,结果表明:在钢管阻尼器内设置叠层黏弹性体可有效延缓钢管局部屈曲,充分发挥钢管耗能能力;双曲型钢管形式改善钢管阻尼器应力分布,使变形和耗能集中于阻尼器中部,避免阻尼器端部和连接处破坏;双曲型钢管叠层黏弹性阻尼器构造简单,传力和耗能机理明确,滞回曲线饱满对称,工作性能稳定,耗能能力强,等效阻尼比稳定在45%左右。

带有微孔黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板振动分析模型

建立了带有微孔黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板(FMLP)振动分析模型。基于多孔材料弹性模量与密度的关系,导出了二维规则微孔分布形式下黏弹层的弹性模量表达式。采用经典层合板理论表示金属层与纤维层的位移场,同时为了考虑微孔黏弹性层的剪切变形影响,使用Reddy高阶剪切变形理论描述其位移场。进一步,基于Rayleigh-Ritz法、复模量法、应变能法和振型叠加法,求解获得了结构系统的固有频率、阻尼特性和脉冲激励下的时、频域振动响应。最后,以自行制备的带有单层微孔(直径0.5 mm,孔间距2 mm)的黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板试件为研究对象,开展了试验验证研究。理论与测试结果对比发现,前3阶固有频率、阻尼比以及响应峰值的最大计算误差分别不超过4.5%、9.7%和7.5%,进而验证了所提出的理论模型的正确性。另外,依托所建立的模型,还讨论了微孔几何参数的变化对结构系统振动特性的影响。

黏弹性多层介质中SH波动的一种吸收边界条件

提出一种高精度时域吸收边界条件,与有限元法结合用于模拟瞬态标量SH波在达朗贝尔黏弹性多层介质中传播问题.建立时域吸收边界条件的过程是:首先将半无限域沿着竖向半离散得到半离散的位移方程以及人工边界处的力-位移关系,再通过引入模态分解,将物理空间下的量转化到模态空间,从而获得半无限域模态空间下的频域动力刚度;其次采用一种在全频范围内收敛的连分式精确逼近单层介质模态空间下标量形式的频域动力刚度,将标量连分式扩展为矩阵形式用来表示多层介质的频域动力刚度;最后通过引入辅助变量技术,将模态空间下基于连分式的频域动力刚度关系转化为时域吸收边界条件,进一步转换到物理空间后得到物理空间下的时域吸收边界条件.单层介质和五层介质的数值算例表明,建立的高精度时域吸收边界条件对于达朗贝尔黏弹性单层介质是精确且稳定的;对于达朗贝尔黏弹性多层介质,为了保证其高精度特性,需要将人工边界放置在距离感兴趣区域约为0.5倍无限域高度的位置处.

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型.首先,结合经典层合板理论和冯·卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系.然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用Von Mises失效准则,纤维层采用Tsai-Hill失效准则和对黏弹性层采用指数Drucker-Prager失效准则判断层合板损伤情况.考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图.最后,以嵌入Zn33黏弹性芯层的TA2钛合金混杂T300碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验.验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.

局部贴敷阻尼层空间管路有限元建模及贴敷位置优化

为了降低处于服役阶段的航空发动机管路的有害振动,描述了一种在管体表面局部贴敷黏弹性阻尼层对管路进行减振的方法,主要包括阻尼层-空间管路系统动力学有限元建模及阻尼层贴敷位置优化。在建模上,基于ANSYS平台建立了满足寻优算法调用的阻尼层-空间管路参数化有限元模型。同时,整个模型引入了两种阻尼,分别是卡箍的支撑阻尼和黏弹性阻尼层的材料阻尼。在贴敷位置优化方面,创建了以阻尼层贴敷位置为设计变量、以1阶最大共振响应最小为优化目标的优化模型,并给出了采用遗传算法对该优化模型进行求解的流程。最后进行了实例研究,用搭建的贴敷阻尼层空间管路试验系统校验了所创建的阻尼层-空间管路分析模型的合理性。在此基础上,执行了阻尼层位置优化,获得了在可移动范围内使共振响应最小的阻尼层贴敷位置方案,并通过与5种随机方案的数值比较证明了优化结果的合理性。

黏弹性胶合铁木辛柯梁的力学性能分析

研究任意荷载作用下黏弹性胶合铁木辛柯梁的力学性能,用标准线性固体模型描述胶层黏弹性。基于一阶剪切变形理论建立铁木辛柯梁的基本方程,将两端简支铁木辛柯梁的位移和转角表示为系数与时间相关的傅里叶级数,代入通过能量法导出的位移和转角平衡方程求解确定待定系数,从而得到任意荷载作用下黏弹性胶合铁木辛柯梁应力和位移随时间变化的解析表达式。以正弦荷载和均布荷载为例验证本研究解的正确性,数值比较显示本研究解与有限元解吻合良好。研究表明:当梁跨高比较小时,铁木辛柯梁理论解的精度明显高于欧拉-伯努利梁理论解;胶层剪应力随时间的延长而减小;梁跨中挠度随时间的延长而增大,但最终趋于常值,该值受胶层厚度和剪切模量的影响较为显著。

黏弹性复合材料结构阻尼性能的分析及优化设计

黏弹性阻尼层复合材料结构具备强度高及减震降噪特点。本研究以一阶剪切变形理论描述结构位移场,利用汉密尔顿原理推导出控制方程;以四边简支的黏弹性复合材料结构为例,满足其边界条件的振型解用Navier双三角函数表示;得到了结构的动态响应、固有频率和损耗因子;应用改进的遗传算法对黏弹性复合材料结构的损耗因子进行优化。优化结果表明,通过对纤维铺设角θ、黏弹性阻尼层与复合材料层厚度比λ和黏弹性阻尼层与复合材料层剪切模量比G_2的优化设计,明显增大了黏弹性复合材料结构的损耗因子,从而提高了其阻尼性能,达到了减震降噪的目的。

钢管叠层黏弹性阻尼器设计方法

钢管叠层黏弹性阻尼器是由钢管和叠层黏弹性体等组成。为建立钢管叠层黏弹性阻尼器设计方法,将钢管叠层黏弹性阻尼器力学模型等效为叠层黏弹性体的线性模型和钢管的双线性模型叠加,通过虚功原理推导出钢管叠层黏弹性阻尼器初始刚度计算公式;由von Mises屈服准则推导出钢管叠层黏弹性阻尼器屈服承载力计算公式,在此基础上推导出屈服位移和极限承载力计算公式,给出钢管叠层黏弹性阻尼器的设计流程。采用有限元分析软件对4个钢管叠层黏弹性阻尼器进行模拟分析,并与理论计算结果对比,验证了理论计算公式与设计流程的合理性。研究结果表明:钢管叠层黏弹性阻尼器等效计算模型合理可靠;初始刚度、屈服力、屈服位移和极限承载力的理论公式计算结果与有限元模拟结果吻合较好,且理论公式计算结果偏于安全;给出的设计流程简单可行,可用于钢管叠层黏弹性阻尼器的设计与加工制造。

层状土中考虑剪切变形的单桩水平振动解析解

针对桩基水平振动分析问题,建立了能够同时考虑桩体弯曲和剪切变形的桩土计算模型.采用与频率相关的刚度系数和阻尼系数来模拟土对桩的动反力,简化桩体为Timoshenko梁,得到了层状黏弹性地基中能同时考虑桩体弯曲和剪切变形的单桩的水平振动解析解.研究了桩土模量比、桩体长径比、地基成层性以及激振频率对桩基动力响应的影响.并且在给定桩土参数的情况下,把同时考虑桩体弯曲和剪切变形的解析解与只考虑弯曲变形的解进行了比较.结果表明,忽略桩体水平振动时的剪切变形可能会带来较大的误差.

多层黏弹性复合材料结构阻尼性能优化设计

针对多层黏弹性复合材料结构阻尼性能设计优化问题,运用能量法既考虑其面内应变能,又考虑其横向剪切应变能,建立其损耗因子的计算模型,并用实验方法验证其挠度函数的可行性。然后以多层黏弹性复合材料结构的损耗因子最大化为优化目标,用改进遗传算法对其阻尼性能进行单变量和多变量优化设计。数值结果表明,应用遗传算法优化设计多层黏弹性复合材料结构阻尼性能效果明显。多变量优化设计的结果优于单变量优化设计,多层黏弹性复合材料结构的损耗因子由原始设计的0.184增大到优化设计后的0.287。

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明:该算法的计算结果与实验测试值误差最大为3.69%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于0.01%,而对模态损耗因子影响最大为109.47%。

用Ritz法分析复合材料夹杂黏弹性阻尼材料的应变能

分析了复合材料夹杂黏弹性阻尼材料组成的对称层合板的线性弯曲,其中夹杂的黏弹性阻尼材料作为各向同性材料处理,既考虑面内应变能又考虑横向切应力应变能,用Ritz法研究各应力分量的应变能。以四边夹紧为边界条件的方形板为例,计算并分析了复合材料层和黏弹性层的应变能以及复合结构的损耗因子。结果表明,复合材料层的面内应变能占主要地位,而黏弹性层中xz方向和yz方向的切应力应变能占主要地位。黏弹性层与复合材料层的弹性模量之间的差异对复合结构的损耗因子有重要影响。

黏弹性复合材料结构的多目标优化设计

黏弹性复合材料具有良好的阻尼性能,但黏弹性层的存在对黏弹性复合材料结构的强度性能会有所影响,黏弹性复合材料结构只有同时兼备良好的阻尼和强度才能满足工程要求。该文在经典层合板及小挠度弯曲理论基础上,运用Ritz法建立黏弹性复合材料结构应变能损耗因子和横向均布荷载作用下初始破坏强度计算模型。提出新的遗传算法适应度函数构造办法,克服了多目标优化问题中优化结果的偏移现象,对黏弹性复合材料结构进行单目标和双目标优化设计。优化结果表明:改进的遗传算法适用于黏弹性复合材料结构阻尼和强度性能的优化设计,而且多目标优化设计可以权衡复合结构的阻尼性能和强度性能,有利于发挥黏弹性复合材料结构良好的整体性能。

新型耐高温油井降失水剂的合成与性能评价

以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）和一种具有特殊结构的磺酸基单体（TS）为原料,过硫酸氨为引发剂,合成了新型抗高温抗盐油井水泥降失水剂FR。利用红外光谱、核磁共振、热重分析表征降失水剂FR的结构及热稳定性,评价了含降失水剂FR的水泥浆的降失水性能、抗温性能、抗盐性能、稠化时间等工程性能。结果表明：丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）和磺酸基单体（TS）有效聚合到降失水剂FR中;该降失水剂耐温性能和控制失水性能良好,可在90~200℃内使用,当温度为200℃、FR质量分数为1.0%时,水泥浆体系失水量为48 mL;降失水剂FR耐盐性能良好,可在含有25%NaCl的水泥浆体系中使用,并控制其失水量为24 mL;降失水剂FR适应性良好,可应用于不同品牌的水泥中,对水泥浆流变性、水泥石抗压强度等无不良影响。采用化学分析、扫描电镜等手段研究了降失水剂FR的黏弹性吸附层理论的作用机理：高分子通过电荷作用吸附到带正电的水泥颗粒上,形成一层可压缩的黏弹性吸附层,在失水的压差作用下,吸附层被挤压并填充到水泥颗粒间的空隙中,从而有效、牢固地堵塞了失水通道、降低了滤饼渗透率。该理论能合理解释吸附增黏类降失水剂的作用机理。