兰姣霞[1]2002年在《结构非线性热弹耦合振动的理论分析与有限元计算》文中进行了进一步梳理本文首先推导了当温度场和应变场耦合时椭圆板的非线性热弹耦合振动的基本方程，其中包括横向热振动方程、协调方程和能量方程。为了求解方便，引入无量纲参数将其无量纲化。我们采用Galerkin法进行离散化后得到一耦合的非线性常微分方程组，利用Runge-Kutta法进行数值求解，得到的主要结论如下：影响椭圆板非线性热弹耦合振动的因素主要有耦合系数、温度幅值、组合参数τd~2、椭度以及初始位移参数；当给定的初始位移较小时，热弹耦合效应使椭圆板的振动频率加快，当给定的初始位移较大时，热弹耦合效应使椭圆板的振动频率减小；边界条件对耦合效应有较大的影响，较强的边界条件使椭圆板热弹耦合自由振动的频率变低，但振荡幅度增大。其次，我们用同样的方法研究了圆柱壳的非线性热弹耦合振动，主要结论如下：影响圆柱壳非线性热弹耦合振动的因素主要有耦合系数、温度幅值、长径比、径厚比以及初始位移参数；耦合系数越大，轴向应力、轴向力以及轴向弯矩越小。 最后利用有限元程序LS-DYNA对轴对称圆柱壳受高速热冲击作用进行了计算机仿真分析，得到了位移时间曲线和单元的应力时间曲线，同文献已有的结果吻合的较好。数值模拟表明：边界条件对位移和应力的影响非常小；位移随着线热膨胀系数、热传导系数的增大而增大，但是随着比热容的增大而减小；应力的最大值随着线热膨胀系数的增大而增大，而随着比热容的增大而减小，而热传导系数k对应力的影响比较小。
朱为国[2]2011年在《矩形薄板非线性热、磁弹性振动与混沌研究》文中提出薄板是工程结构中常见的元件之一,而且它们通常都是在机械场、电磁场和温度场等多场作用环境下工作,其动力特性对系统的结构安全有重要影响。因此,对磁弹性薄板多场耦合作用动力学问题开展研究具有重要的理论意义与实用价值。本文研究了矩形薄板在电磁场、外载荷以及温度场等多场共同作用下的非线性弹性振动和分岔与混沌特性分析。在板壳与磁弹性力学理论的基础上,建立了矩形磁弹性薄板非线性系统动力学模型,对其非线性自由振动、强迫振动和分岔与混沌等问题进行了深入系统的研究,主要包括以下内容:导出了矩形磁弹性薄板非线性自由振动系统动力学模型及其动力学微分方程式,以四边简单支撑的矩形薄板为例,对其进行了自由振动模态分析。用多尺度法求出了非线性自由振动系统时域响应近似解析解,用四阶Runge-Kutta法编程微分方程进行数值求解计算,绘制系统的位移时间响应曲线和相图,讨论了机电参数对系统响应的影响。导出了矩形磁弹性薄板非线性强迫振动系统动力学模型及其动力学微分方程式,以四边简单支撑的矩形薄板为例,用多尺度法推导了非线性系统强迫振动时域响应的一次近似解析解,计算并分析了外加激励频率远离和接近派生系统固有频率时系统的主共振、超谐波和亚谐波稳态响应。讨论了机电参数对振动系统频域响应的影响规律。推导出不同支撑情况下矩形磁弹性薄板在电磁场和机械场耦合作用的非线性振动方程,运用Melnikov函数方法推导系统发生混沌的条件,用四阶Runge-Kutta法编辑程序对系统进行数值求解,并绘制系统分岔图、相平面轨迹图、波形图以及庞伽莱截面图和Lyapunov指数图,讨论机电参数对系统运动特性的影响。考虑温度场的影响,推导出在横向稳恒磁场和载荷共同作用下不同边界条件下矩形薄板的非线性磁弹性耦合振动方程。用Melnikov函数法给出该非线性动力系统smale马蹄变换意义下出现混沌运动的判据,用四阶Runge-Kutta法编程数值求解系统振动方程,绘制系统的分岔图、Lyapunov指数图、相应位移波形图、相平面轨迹图、庞伽莱截面图。分析了温度场与机电参量对系统运动状态的影响。
陆波[3]2009年在《基于热弹耦合大功率船用齿轮箱动态特性研究》文中研究表明课题来源于国家“十一五”科技支撑计划“高速、重载、精密机械传动系统共性关键技术研究”(2006BAF01B07-01)。为了适应国家重大装备与重点工程的需要,齿轮传动正朝着高速、重载、低噪声、高可靠性的方向发展。以船用减速器、燃气轮机齿轮箱、风力发电齿轮箱为代表的高速、重载机械传动系统是大型机械装备的重要基础件,其性能的优劣直接影响重大机械装备的综合性能和寿命。开展对高速、重载齿轮传动系统共性技术、关键技术的研究与开发,提升机械传动零部件及其相关装备产业的国际竞争能力,具有重要理论意义和工程实用价值。论文基于齿轮啮合原理、轮齿接触分析、摩擦学和传热学、非线性系统动力学,以理论分析、有限元仿真为手段,对基于热弹耦合的大功率船用齿轮箱系统动态特性进行理论分析和实验研究。论文的主要研究内容如下:①建立大功率船用齿轮箱齿轮-转子-轴承-箱体耦合叁维精细有限元模型,对系统的固有特性进行分析,得到约束情况下船用齿轮箱前20阶固有频率及振型。②在考虑热弹耦合的基础上,对齿轮接触状态进行有限元分析,研究在热弹耦合情况下轮齿接触力和变形,得出基于热弹耦合工况下齿轮时变啮合刚度。③在基于热弹耦合的时变刚度激励、误差激励和啮合冲击激励等内部激励和外部激励的影响下,对船用齿轮箱系统动态响应进行分析,得出系统的振动和结构噪声特征。④结合非线性动力学方法对系统动态响应的数值特征进行分析,分析其时间历程曲线、功率谱密度、相轨迹、庞加莱截面、最大Lyapunov指数,揭示其非线性动力学规律。⑤对船用齿轮箱的固有特性、振动和结构噪声进行实验测试,验证理论分析的正确性,归纳总结出了一套针对大型船用齿轮箱动态特性的分析计算方法。
肖正明[4]2011年在《土压平衡盾构机主减速器叁级行星齿轮系统动力学》文中指出土压平衡盾构机(Shield Tunnelling Machine, STM)是盾构法掘进施工中的关键装备,其刀盘驱动系统在掘进施工中起着驱动刀盘切割岩土的作用,它包括液压马达、主减速器、小齿轮/大齿圈减速单元。主减速器是盾构机刀盘驱动系统的核心部件,采用叁级行星齿轮传动,结构复杂且功率密度高,动力学特性较为复杂。该主减速器多级行星齿轮的耦合振动会加速其疲劳失效,其动态性能对系统可靠性及整机运行稳定性有较大影响。基于动力学理论研究主减速器振动特性,并通过型式试验分析评价其动态性能,是开展盾构机整机试验及产品批量投产前的重要工作。本课题结合国家863计划资助项目(2007AA041802)——“土压平衡盾构大功率减速器”的研究任务,并考虑到盾构机的实际工况要求和项目指南所规定的具体指标,针对土压平衡盾构机叁级行星减速器的动力学问题开展了较全面深入的研究。主要研究内容包括以下方面:①盾构机主减速器叁级行星齿轮传动系统动力学基于齿轮啮合理论和Lagrange方程,运用集中参数法建立了多级行星齿轮系统的扭转动力学模型,计算了叁级行星齿轮传动系统的固有特性。采用梯形波表示啮合刚度的时变特征,分析行星齿轮啮合过程中的相位关系,计算了叁级行星齿轮不同啮合位置的扭转振动结构频率。针对齿轮啮合误差特点,采用轴频和齿频迭加的谐波函数表示行星齿轮传递误差,考虑受啮合相位关系影响的行星齿轮系统时变刚度,系统地分析了多级行星齿轮传动的内部激励特征。基于某施工标段盾构机的统计负载,考虑系统的内外部激励,求解了叁级行星齿轮系统的动态响应,并对齿轮振动频谱特性进行了分析。通过计算减速器不同转速下系统构件的动态响应,研究了齿轮振动与盾构机减速器输入转速的关系,为盾构机驱动系统运行工况的选择提供了依据。②主减速器多级行星齿轮——箱体耦合动力学研究考虑各级齿圈的扭转支撑刚度,采用集中参数法建立了多级行星齿轮—箱体的耦合扭转动力学模型。运用有限元方法获取了各齿圈的扭转支撑刚度,并在分析行星齿轮啮合相位和主要内部激励特征的基础上,求解了系统动态响应,分析了各级齿圈振动的时频特性和齿轮传动系统——箱体的耦合振动机理。③盾构机主减速器齿轮传动系统变载工况下的动态响应建立了土压平衡盾构机的刀盘力学模型,分析了掘进时的刀盘载荷特性。利用盾构机监控系统采集的掘进过程中刀盘承受的扭矩数据,得到主减速器的外部载荷。依据载荷数据的变化规律,运用随机插值和数据拟合得到主减速器的连续载荷谱。求解了盾构机刀盘驱动主减速器叁级行星齿轮传动系统在变载荷工况下的动态响应,分析了其振动特征,并研究了主减速器传动系统振动响应与盾构机刀盘转速之间的关系。④主减速器箱体模态分析与实验建立了主减速器箱体的有限元模型,计算了其特征值问题,获取了箱体的低阶固有频率及相应振型。开展了主减速器箱体的模态实验,运用最小二乘复频域法分析了模态数据,得到了箱体的固有特性,并通过模态置信判据验证了实验模态参数。通过对比理论分析结果和实验数据,验证了模态参数识别的可靠性和有效性。根据模态分析结果确定了箱体的薄弱环节,为结构优化提供了依据。⑤盾构机主减速器动态性能测试与分析根据实验模态分析方法,进行了主减速器的模态实验,获取了系统的频响函数及模态频率。依据盾构机叁级行星减速器大传动比的工作特性,采用背靠背能量回馈的试验台架,设计了动态性能测试方案。测量了多种工况载荷下主减速器的振动加速度,分析了其振动特性,计算了主减速器的1/3倍频程结构噪声。采用数值积分法计算了主减速器的振动速度和振动烈度,对主减速器的动态性能进行综合评价。对比分析了各级齿圈的振动计算结果和测试数据,验证了所建立的多级行星齿轮—箱体耦合扭转动力学模型的正确有效性。在采用隔声罩降低背景噪声的条件下,运用声压法进行了主减速器的噪声测试和声压级确定,同时采用声强法对主减速器台架运行的噪声强度分布进行了测量。
李绍彬[5]2004年在《高速重载齿轮传动热弹变形及非线性耦合动力学研究》文中指出高速重载齿轮传动全工况动态性能分析对降低齿轮传动的振动和噪声具有重要的作用,发展高速重载齿轮传动的动力学分析理论和方法将有助于实现高速重载齿轮国产化,提高国内自主开发能力,达到国际先进水平。本文基于齿轮啮合原理、轮齿接触分析、摩擦学和传热学、非线性系统动力学、计算机辅助工程、振动冲击理论,以有限元计算方法和解析法与实验测试相结合,用科学的建模取代半经验的计算,用先进的动态分析取代传统的静态分析,在全工况下对高速重载齿轮传动进行了热弹变形分析,轮齿修形设计以及参数激励和非线性并存的动力分析,并提出了相应的分析理论和方法。本文的主要内容如下:⑴研究了用材料力学方法和接触问题有限元法求解齿轮传动的变形和刚度问题。⑵基于接触问题有限元模型用摩擦学和传热学理论研究了齿轮本体温度和热变形对齿轮传动的影响,考虑到用有限元法分析体积温度的最大困难在于估算摩擦热输入和放热系数,本文对此亦作了适当讨论。⑶在接触分析和温度分析的基础上,用数值方法把二者耦合起来,采用轮齿热弹耦合有限元分析模型,用热弹耦合有限元法分析了相应的变形和刚度曲线,并编制调试了应用程序,从而可以很方便地求得齿轮啮合变形及刚度曲线。⑷在研究修形原理的基础上,提出了一种基于热弹耦合变形求圆柱齿轮理想修形曲线的方法,理论计算和实践证明,这种方法具有良好的效果。⑸提出了一种在综合考虑热弹性、间隙、制造安装误差、体积温度等各种因素下的全工况动态性能分析方法,并进行全工况高速重载齿轮传动的动态数值仿真。⑹利用集中参数法建立了考虑时变刚度、误差和间隙的齿轮传动非线性动力学模型与方程,用数值解法对微分方程求解,获得的数值解以时域图,频域图,相图和Poincaré截面表示,得到了系统多谐振动响应的基本规律,从而可在设计阶段预估其动态性能,使系统尽量避开共振频率,对系统参数的变化对动态特性的影响进行了分析,得出了一些有益的结论。⑺建立了包含齿轮副、传动轴、轴承和箱体在内的齿轮系统动力学完整的叁维有限元模型,该模型较好地描述了齿轮系统的动态特性。⑻用I-DEAS对齿轮系统进行了有限元模态分析,求解了齿轮系统的固有特性。⑼对齿轮传动非线性动力学微分方程应用谐波平衡法推导了相应的公式进行<WP=6>求解,并编制了相应的程序。同时与叁维有限元模型相结合计算了在齿轮啮合激励下齿轮箱的动态响应,分析了齿轮系统的动态特性。⑽对实际减速器进行了高速重载下的实验研究,得到了齿轮箱表面的振动响应分布,与有限元计算结果进行了比较,吻合良好,表明所建立模型的正确性。论文在以下几个方面具有创新性:⑴采用热弹耦合有限元方法得到高速重载齿轮传动的变形和刚度曲线。提出了一种基于热弹耦合变形确定齿轮理想修形曲线的方法。⑵提出了综合考虑热弹性、时变刚度、间隙、体积温度等各种因素下的高速重载齿轮系统全工况动态性能分析方法。⑶用数值解法对微分方程求解,获得的数值解以时域图,频域图,相图和Poincaré截面表示,得到了系统多谐振动响应的基本规律,从而可在设计阶段预估其动态性能。⑷进行了参数激励和非线性并存的叁维齿轮系统的有限元动态仿真。把谐波平衡法和叁维有限元法结合起来,进行全工况整个齿轮系统(包括传动系统和结构系统)的动态响应分析。
寇海江[6]2014年在《复杂故障航空发动机盘片轴系统动力特性及多场耦合研究》文中进行了进一步梳理盘片轴系统是航空发动机的关键组成部分,高温、高压和高转速等恶劣环境常常引发各类故障,如碰摩、叶片裂纹及失谐振动等,这极大地影响了航空发动机的稳定运行,并限制了新型航空发动机的发展。对盘片轴系统进行故障机理分析是实现该结构可靠运行的关键途径,具有重要的研究意义。目前,旋转叶片碰摩的解析分析广泛采用梁模型,忽略了叶片沿宽度方向振动的差异性,旋转板碰摩模型的线性、几何非线性理论需要深入研究,尤其热冲击对板碰摩与热冲击耦合故障的影响规律有待进一步研究。随着盘片轴一体化新结构的发展,大规模网格一体化新结构的动力特性和裂纹失效问题研究十分必要。此外,采用Kriging模型的流场与结构场耦合界面的数据传递方法,为解决失谐叶片-轮盘系统的热-流-结构场耦合问题提供了理论基础。本论文针对以上问题开展了盘片轴系统复杂耦合故障下的动力行为研究,涉及结构场与多物理场等多学科理论,包含解析和数值求解方法,研究内容和成果如下：(1)将叶片-轮盘简化为中心刚体-旋转悬臂板模型,基于Hamilton变分原理与梁函数组合法,分别获得了旋转悬臂板碰摩动力行为以及旋转碰摩板热冲击振动的解析解,并与实验结果对比,证明了方法与结果的可靠性。讨论了热冲击和碰摩对薄板振动的影响规律,结果表明：板模型对梁模型进行了扩展,应用更准确、可靠；碰摩振动表现为复杂多频率耦合振动且高频振动较为显着,热冲击引起简单的低频振动,碰摩引起的振动形式较热冲击故障复杂,更容易引起叶片的破坏。(2)提出了一种基于变分原理的旋转大挠度板强迫振动响应求解过程,对比模态分析结果验证了本方法的准确性。开展了旋转大变形板尖端碰摩引起的分岔与混沌现象研究,结果表明：利用二阶非线性系统得到了该结构非线性振动的软特性,利用叁阶非线性系统获得了结构非线性振动的硬特性；碰摩摩擦力是旋转大变形板系统碰摩引起的非线性振动的主要动力；随着碰摩力幅值的增加,旋转大变形板模型表现出十分丰富且复杂的动力行为。(3)建立了受热冲击作用的旋转大变形板碰摩动力学模型,该模型考虑了热冲击对碰摩的影响,通过数值分析验证了本模型的有效性。开展了热冲击下碰摩大变形板的非线性振动分析,结果表明：热冲击导致旋转大变形板碰摩非线性振动随着时间的增加逐渐增大,这加剧了该系统运动的不稳定性,热流量越大这种现象越明显,恒定的温度可以降低碰摩故障的破坏程度。(4)针对大规模网格问题导致计算效率较低问题,提出了一体化新结构动力分析的预应力模态综合法,通过模态分析结果验证了本方法的准确性,并给出了模态截断数的选取原则,开展了振动响应及动应力研究。结果表明：选取模态截断数的原则为各级子结构的模态截断数需要远大于叶片数；引入转轴的作用使叶片动频降低,且存在叶片、整体叶盘及转轴之间的耦合振型；等效气流激励力主要引起所在叶片的强烈振动,最大动应力位于叶片根部及转轴。(5)分析了适用于盘片轴一体化结构的断裂力学理论,讨论了裂纹缺口模型对于裂纹分析结果的有效性,研究了叶片裂纹对整个转子系统动力特性的影响规律。结果表明：采用较小角度的等效缺口模型来建立叶片裂纹损伤模型准确且简便：叶片裂纹导致叶片振动现象的加剧；叶片压强载荷的施加一定程度上降低了叶根中部裂纹扩展的可能性,相比之下,叶片排气边裂纹更容易随叶片压强载荷的增加而引发裂纹扩展。(6)针对等效气流激励不能够准确描述失谐叶盘系统的受载特点,建立了失谐叶盘系统的热-流-结构多物理场耦合系统动力学模型,揭示了失谐叶片结构与流场之间的相互作用规律。结果表明：利用Kriging法进行载荷的传递具有较高的精度；失谐程度的增加明显加剧了各扇区的振动,表现为振动幅值的显着增加；随着失谐程度的加剧,各叶片的振动差异性逐渐增大。
王宏宏[7]2009年在《热效应对结构固有振动特性影响研究》文中研究说明本文的研究内容是飞行器的典型结构,如机翼、弹翼等,在高超音速飞行情况下,由于气动加热引起的高温效应对结构振动特性的影响。包括热效应刚度修正、热振动、热颤振等问题,重点研究结构的热模态特性。首先,这篇论文介绍了温度场和热应力场的有限元方法。通过建立平面热传导模型,计算瞬态温度场,并将温度场等效为“热载荷”,用弹性力学的处理方法求解温度场对应的热应力场。其次,将热应力作为结构的一种“预应力”,推导由预应力引起的刚度矩阵修正。应用金属材料热物理参数随温度变化的一般规律,构造结构的热刚度,计算结构的热模态。第叁,设计了几种加热方式,通过试验手段,得到结构固有模态随热环境变化的一般规律,并将试验结果与有限元模拟结果做了比较验证。在处理试验数据时,采用了几种方法辨识结构的模态参数,并比较了各方法的优劣。最后,应用工程上计算气动热的估算方法,在不考虑烧蚀等复杂因素影响的条件下,模拟结构的气动加热环境。在此条件下,计算结构所受的气动力分布及颤振速度。应用有限元模拟与试验等方法,取得了以下结论:升温导致的热应力及材料机械性能的下降,都会改变结构的固有频率,后者的效果更显着;两者的综合作用下,结构的固有频率有下降趋势,且高阶固有频率比低阶固有频率下降得快;在气动加热环境下,结构的颤振速度降低。
张强升[8]2011年在《某燃机动叶及压气机组件应力计算与振动分析》文中研究表明动力机械结构强度关系着机组的安全运行，本文以燃气轮机动叶及压气机组件为研究对象，对其强度和振动特性作数值计算及分析研究，并设计了压气机气动性能试件中的主要零部件应力及振动参数的测试试验方案。1.以压气机第一级叶轮、叶片及前半轴组件为研究对象，采用商用有限元软件ABAQUS分别对其循环对称模型与整体模型进行稳态应力计算，验证两种计算模型的精度。在应力计算中，分别对叶根与轮槽之间的绑定模型与接触模型作分析，结果表明采用接触模型更符合对这类结构实际受力状态。给出叶轮及叶片接触模型应力场分布规律及高应力区的最大应力值，计算并分析该成熟机组叶轮及叶片在离心力载荷下各自的安全储备系数。2.在结构的振动特性分析中，计算了压气机第一级单只动叶振动特性，得到单只叶片的静、动频及相应的各阶振型，绘制单只叶片的坎贝尔图，分析了工作转速下可能发生的共振点。3.对压气机第一级叶轮、叶片及前端轴组件耦合振动特性分析，采用循环对称模型计算旋转与非旋转态下的频率及振型，根据频率随转速的变化，绘制坎贝尔图，根据“叁重点”共振理论及调频标准，分析工作转速范围内出现的“叁重点”共振，找到发生共振时的固有频率和激振频率，并对共振点振动应力发生部位进行分析，提出避开共振的安全措施。4.透平动叶承受离心载荷和热载荷等，为了保证机组运行的可靠性，要对透平动叶的强度进行分析。本文对透平一级动叶温度场和应力场作了计算与分析。用ABAQUS软件，计算透平一级实心动叶在离心载荷和温度载荷作用下的应力分布，给出所计算零部件的强度校核结果。5.设计了压气机试验件中主要零部件结构应力、振动特性试验测试方案，给出各零部件测试方法、测试仪器选择及测量要求。
马玉娥[9]2005年在《可重复使用运载器热防护系统热/力耦合数值计算研究》文中研究表明热防护系统(Thermal Protection System—TPS)设计与分析是可重复使用航天器(Reusable Launch Vehicle—RLV)的重要关键技术之一，开展热防护系统研究，确定其结构参数对RLV质量与温度场分布的影响作用、再入时热冲击导致的热力耦合效应等是热防护系统设计分析的重要研究课题。 基于有限元Galerkin方法原理，本文细致研究了线性瞬态热传导方程和非线性瞬态热传导方程的数值计算方法，进行了数值分析计算，主要研究工作包括，推导了正交各向异性的复合材料等参元有限元列式，给出了正交各向异性材料的热传导系数从材料主轴、整体坐标系到参数正则坐标系下的有限元等参元计算变换式；为计及热载荷具有热冲击性质，温度场在单元间采用二次插值函数，并推导出不同边界条件下的单元算法和有限元数值计算列式，获得到各向异性层状材料热分析超参数壳体单元的有限元完整计算方法；在此基础上，突破传统单元构造方法，提出了一种中面层8节点高精度等参叁维退化热壳单元计算列式，使壳结构的热特性数值分析变量减少了一倍，通过数值算例验证了该算法的正确性和高效性；根据相对自由度概念，构造了相对自由度壳体单元的热分析算法，通过具体算例与ANSYS软件计算结果的比较，吻合很好，验证了本文算法的正确性；与此同时，把使用超参数温度壳元计算结果和相对自由度温度壳元计算结果相比较，表明了超参数温度壳元和相对自由度温度壳元有良好的一致性。 针对热防护系统金属蜂窝典型单元，本文构造了蜂窝核细观导热有限元数值计算分析模型，建立了空间二维薄板热分析有限元算法，推导了一般性计算公式，建立了空间四节点薄板等参元计算格式；在此基础上，讨论了典型蜂窝单元的数值计算模型和边界条件处理算法，确定了具体结构尺寸、边界条件以及热流函数曲线。鉴于典型蜂窝单元材料物性参数的复杂性，在没有具体的物性参数可用的情况下，参考国外技术资料给出了计算热物性经验公式。在大量数值计算基础上，研究分析了结构尺寸和不同辐射条件对典型蜂窝单元的温度场分布影响作用，获得了结构构形参数的敏感性作用。在典型蜂窝单元的传热分析基础上，本文分析推导了准静态热力耦合有限元列式，采用ANSYS软件
崔德福[10]2015年在《含粘滞—滑移—约束边界的梁和板的热屈曲及热振动研究》文中认为航空航天结构在服役过程中往往会受到气动加热/太阳辐射加热。由于结构边界约束或者温度场梯度的作用,结构内部会产生热应力。当热应力足够大时,结构会发生热屈曲,不仅降低结构的承载能力,甚至引起结构破坏。再者,高温环境会使材料性能退化,加上结构内的上述热应力作用,结构刚度会发生变化,进而影响结构的固有振动特性。为了提高结构的热稳定性能,在结构设计中应尽量允许结构边界发生滑移,释放结构内部的热应力。为此,结构部件之间需预留热膨胀间隙。当然,过度热膨胀仍会受到相邻部件的限制。另外,由于装配需要,在边界上需施加预紧力,因此边界将受到一对正压力和摩擦力作用。在这样的设计下,结构边界随着温度升高将依此经历叁个状态,即粘滞状态、滑移状态以及接触约束状态,即形成具有粘滞-滑移-约束的边界。由于装配预紧力和热膨胀间隙会影响边界移动状态,进而改变结构内部的热应力,对结构动力学特性产生影响。因此,有必要分析它们对结构的热屈曲和热振动特性的影响。鉴于梁和板是航空航天结构的基本部件,本文针对具有粘滞-滑移-约束边界的细长梁、矩形薄板,研究其相关的热屈曲和热振动问题。论文的主要研究内容和学术贡献如下:(1)提出考虑装配预紧力和热膨胀间隙的细长梁、矩形薄板物理模型,分别基于哈密顿原理和虚位移原理给出了这类梁和板的动力学方程和滑移边界的约束方程。(2)针对具有轴向粘滞-滑移-约束边界的细长梁的热屈曲、后屈曲以及前/后屈曲内的固有振动问题,考虑温度对材料特性以及滑动边界摩擦系数的影响,得到了每种情况下的临界屈曲升温、后屈曲变形和前/后屈曲的固有频率的解析表达式;通过数值算例考察了系统参数对临界屈曲升温、热后屈曲变形以及固有振动特性的影响。(3)研究了具有面内粘滞-滑移-约束边界的矩形薄板的热屈曲行为和屈曲前固有振动特性。考虑温度对材料特性和边界摩擦系数的影响,通过对滑动边界约束力和位移的分析,给出了薄板所有可能的屈曲情况和相应的固有频率。采用有限元软件Nastran验证了解析解的正确性,通过数值算例分析了正压力、热膨胀间隙等对矩形薄板的临界屈曲升温和固有振动特性的影响。(4)针对具有粘滞-滑移-约束边界的细长梁,研究了受均匀分布加热和简谐激励下梁的横向主共振问题。先采用伽辽金方法将偏微分方程简化为常微分方程,然后采用平均法得到了每种情况下细长梁的稳态主共振解析解,通过数值积分验证了解析解的正确性,并考察了系统参数(如升温和正压力等)对梁的稳态主共振的影响。(5)分析了由于面内滑移-粘滞-约束边界引起的矩形薄板的前两阶模态之间的1:1内共振问题,研究了内共振发生时系统参数所满足的条件和相应的升温,采用伽辽金方法得到了前两阶模态所满足的动力学方程,并利用龙格-库塔法求解微分方程,通过分叉图、庞加莱映射等分析了矩形薄板的非线性振动行为。(6)针对具有面内粘滞-滑移-约束边界的矩形薄板,采用伽辽金方法得到了多模态动力学方程,采用数值积分求解了均布平稳高斯白噪声激励下矩形薄板的随机振动响应。通过数值算例,分析了系统参数对该板的随机振动响应的影响。
参考文献：
[1]. 结构非线性热弹耦合振动的理论分析与有限元计算[D]. 兰姣霞. 太原理工大学. 2002
[2]. 矩形薄板非线性热、磁弹性振动与混沌研究[D]. 朱为国. 燕山大学. 2011
[3]. 基于热弹耦合大功率船用齿轮箱动态特性研究[D]. 陆波. 重庆大学. 2009
[4]. 土压平衡盾构机主减速器叁级行星齿轮系统动力学[D]. 肖正明. 重庆大学. 2011
[5]. 高速重载齿轮传动热弹变形及非线性耦合动力学研究[D]. 李绍彬. 重庆大学. 2004
[6]. 复杂故障航空发动机盘片轴系统动力特性及多场耦合研究[D]. 寇海江. 东北大学. 2014
[7]. 热效应对结构固有振动特性影响研究[D]. 王宏宏. 南京航空航天大学. 2009
[8]. 某燃机动叶及压气机组件应力计算与振动分析[D]. 张强升. 清华大学. 2011
[9]. 可重复使用运载器热防护系统热/力耦合数值计算研究[D]. 马玉娥. 西北工业大学. 2005
[10]. 含粘滞—滑移—约束边界的梁和板的热屈曲及热振动研究[D]. 崔德福. 南京航空航天大学. 2015
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