旋轉(zhuǎn)運動梁板結(jié)構(gòu)動力學特性的ChebysheV-Ritz法研究.pdf

1、大范圍旋轉(zhuǎn)運動梁板結(jié)構(gòu)是一類典型的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，在航天器、機器人和高速旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，此類剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)在工作時表現(xiàn)出大范圍剛性運動與自身結(jié)構(gòu)彈性變形相互耦合的動力學特性。傳統(tǒng)的混合坐標方法直接采用了結(jié)構(gòu)動力學中的小變形假設(shè)，忽略了大范圍剛性運動和柔性體彈性變形之間的高階耦合變形項，其本質(zhì)是一種零次近似意義上的剛-柔耦合建模，當結(jié)構(gòu)作大范圍高速運動時，零次近似模型的計算結(jié)果趨向發(fā)散。1987年，Kane對非慣性系下的

2、旋轉(zhuǎn)運動柔性梁的動力學特性進行了研究，提出“動力剛化”效應(yīng)的概念。眾多國內(nèi)外學者通過各種假設(shè)捕捉動力剛度項，但所得結(jié)論并不令人信服。近20年來，國內(nèi)外學者從力學的基本原理出發(fā)，得到了精度在一階量級上的耦合變形項，真正建立起了一次近似意義上的動力學模型，并通過實驗驗證了該模型的合理性。
　　對于旋轉(zhuǎn)運動梁板結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學特性的研究主要分為自由振動模態(tài)特性和動力學響應(yīng)兩個方面，本文基于Chebyshev多項式在數(shù)值計算中的優(yōu)越

3、性，對做旋轉(zhuǎn)運動的梁板結(jié)構(gòu)的動力學特性做了如下的詳細研究:
　　(1)基于Chebyshev-Ritz法研究了旋轉(zhuǎn)運動剛體-Euler-Bernoulli梁的三維動力學特性。利用第二類拉氏方程推導出系統(tǒng)的三維剛?cè)狁詈蟿恿W模型。在縱向變形中計及了非線性耦合變形量。采用Ritz法對梁的變形位移進行離散，由Chebyshev多項式乘以邊界函數(shù)組成的模態(tài)函數(shù)乘以相應(yīng)的模態(tài)坐標表示，其中邊界函數(shù)只需滿足梁的幾何邊界條件。給出了柔性梁面外橫

4、向彎曲運動的一次近似模型和柔性梁面內(nèi)縱向伸展和橫向彎曲運動的一次近似耦合模型。在忽略非線性耦合變形量的基礎(chǔ)上，給出了它們的零次近似模型。首先，研究了柔性梁的面外橫向彎曲自由振動特性，著重探討了角速度、系統(tǒng)徑長比、變截面系數(shù)以及端部約束方式對面外橫向彎曲模態(tài)特性的影響。其次，研究了旋轉(zhuǎn)懸臂柔性梁面內(nèi)橫向彎曲和縱向伸展運動以及它們之間的耦合特性。比較了零次近似模型、一次近似簡化模型和一次近似耦合模型的差異，揭示了Chebyshev多項式在計

5、算高頻激勵動響應(yīng)時的高效性、穩(wěn)定性和精確性，探討了調(diào)諧角速度與柔性梁共振的關(guān)系，研究了面內(nèi)橫向彎曲和縱向伸展耦合振動的頻率轉(zhuǎn)向和振型轉(zhuǎn)換特性。
　　(2)基于Chebyshev-Ritz法研究了旋轉(zhuǎn)運動軸向功能梯度Timoshenko梁的面外橫向彎曲自由振動特性。采用Timoshenko梁理論，推導、建立了旋轉(zhuǎn)運動軸向功能梯度梁的面外橫向彎曲自由振動的特征方程。詳細分析了材料梯度指數(shù)、變截面系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角速度、系統(tǒng)徑長比、長細比等參

6、數(shù)對自由振動模態(tài)特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，材料組分的梯度變化對固有頻率的影響與邊界條件有關(guān)。
　　(3)基于Chebyshev-Ritz法研究了旋轉(zhuǎn)運動矩形薄板的動力學特性。利用第二類拉氏方程推導旋轉(zhuǎn)運動等厚度矩形薄板的剛?cè)狁詈蟿恿W方程。分析了零次近似模型和一次近似模型的差別，揭示了約束條件對薄板動力學行為的重要影響。
　　(4)基于Chebyshev-Ritz法研究了旋轉(zhuǎn)變厚度Mindlin矩形板的自由振動特性，建立了含