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专利号: 201510222482X
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种组合梁弯曲振动的固有频率分析方法,其特征在于:根据组合梁几何特征,构建一种基于经典Euler-Bernoulli梁(EB)与Timoshenko梁(TB)理论的混合梁单元ETE-B,各ETE-B中EB梁单元和TB梁单元通过边界条件连续进行联接,建立组合梁的动力学模型、弯曲振动方程,获得经典边界条件下组合梁的参数化频率方程,最后利用一维搜索法确定组合梁的固有频率;具体步骤如下:步骤1、组合梁的动力学模型建立:根据经典梁结构动力学理论,梁截面尺寸相比于跨度而言很小,一般都可以认为是Euler-Bernoulli梁(EB);然而,当梁体或梁单元的深跨比比1/5大很多时,通常被看作Timoshenko梁(TB),研究其弯曲振动特征时,需考虑转动惯量和截面剪切变形的影响;混合梁单元包括一段代号为TB-i+1的Timoshenko梁和两段代号分别为EB-i和EB-i+2的Euler-Bernoulli梁,以Timoshenko梁的序号数值(i+1)的一半标示,即 两类梁单元在交界面Fi和Fi+1处通过双边V缝周边对焊联接,材料体密度均为ρ,弹性模量均为E;TB-i+1中,梁段宽b、高h、长li+1,满足h/li+1∈[1/5,+∞],截面面积Ai+1,相对于x轴的二次惯性矩为Ii+1,截面的剪切修正系数为κ,材料的剪切弹性模量为G;EB-i和EB-i+2中,梁段宽均为b、高均为h、长分别为li和li+2(li=li+2),壁厚均为h0,满足h/li和h/li+2∈[0,1/5),截面面积分别为Ai和Ai+2(Ai+1=Ai+2),相对于x轴的二次惯性矩分别为Ii和Ii+2(Ii+1=Ii+2);

步骤2、混合梁单元ETE-B的动力学分析:在Euler-Bernoulli梁单元EB-i的固有圆频率ω满足:式(2)中λ为EB频率参数,且有振型函数:

Yi(x)=ei,1sinλx+ei,2cosλx+ei,3sinhλx+ei,4coshλx. (3)式(3)中ei,1,ei,2,ei,3和ei,4为EB-i梁单元边界条件决定的系数;

对于其他等截面等长Euler-Bernoulli梁单元,只需对应更改梁单元序号i;

由于是同一根组合梁的不同单元,Timoshenko梁单元TB-i+1的固有圆频率与步骤2中EB-i的固有圆频率ω相同,在满足的前提下,有一组虚根:

式(7)中 为TB虚频率参数,i为虚数单位,满足而还有一组实根

式(9)中 为TB实频率参数,满足

TB-i+1的弯曲变形振型表达式:

式中,ti+1,1,ti+1,2,ti+1,3和ti+1,4为TB-i+1梁单元边界条件决定的系数;

TB-i+1的截面转角振型表达式:

对于其他等截面等长Timoshenko梁单元,只需对应更改梁单元序号i+1;

步骤3、混合梁单元ETE-B联接条件的数学描述:定义EB系数 和TB系数 则在交界面Fi=(EB-i)∩(TB-i+1)处,存在振型系数界面联接向量:

和振型界面联接特征矩阵

类似地,在交界面Fi+1=(TB-i+1)∩(EB-i+2)处存在振型系数界面联接向量和振型界面联接特征矩阵因此,任意单段混合梁单元 的振型联接特征矩阵 和振型系数联接向量分别为:

且满足:

左上标为ETE-B的段数,左下标为首段组合梁中TB梁序号,对于任意连续两段ETE-B,TB梁单元序号为i+1和i+3,共同拥有EB-i+2,振型联接特征矩阵 和振型系数联接向量 分别为:和

且满足:

其中, 和 分别由 和 将其各含右下标元素的右下标数值上加2获得,未给出大小的“0”的维数视矩阵整体而定;

对于n段ETE-B构成的组合梁,TB梁单元序号依次为2,4,6,…,2j,…,2n,振型联接特征矩阵 和振型系数联接向量 分别为:和

且满足:

其中,左上标“n”为组合梁中ETE-B的段数,左下标“2”为首段混合梁单元中TB梁单元序号;

步骤4、组合梁边界条件的数学描述:对于n段ETE-B构成的组合梁,其经典边界条件下的数学表达如下:左端固支(CL)

左端简支(PL)

右端自由(FR)

右端简支(PR)

右端固支(CR)

步骤5、组合梁参数化频率方程的建立:两端经典边界条件(分别是式(41)、(42)描述的 和式(43)~(45)描述的 )的n段ETE-B构成的组合梁的振型特征矩阵D和振型系数向量C分别为:和

且满足:

[D](8n+4)×(8n+4)·[C](8n+4)×1=0. (48)令组合梁的特征方程系数矩阵D的行列式(以特征函数f(λ)=|D|表示)为零,求解参数化频率方程:f(λ)=|D|=0 (49)即获得整根组合梁的固有圆频率ω,按式f=ω/2π计算组合梁的各阶固有频率f。

2.根据权利要求1所述的一种组合梁弯曲振动的固有频率分析方法,其特征在于:所述的混合梁单元ETE-B,将任意两个EB及其间的一个TB看作一个混合梁单元ETE-B,则组合梁结构可认为是多个混合梁单元ETE-B构成的;所有EB等截面、等长、空心,而所有TB等截面、等长、实心;组合梁的首尾两段梁单元都是EB梁。

3.根据权利要求1所述的一种组合梁弯曲振动的固有频率分析方法,其特征在于:所述的一维搜索法:以式(2)中EB频率参数λ为自变量,给定其取值范围、递增步长Δλ和初始值λ0,在λ数值递增形成的各个子区间中确定f(λ)变号的子区间[λk,λk+Δλ],即满足f(λk)·f(λk+Δλ)<0,其中λk=λ0+k·Δλ,作为固有圆频率ω的可行域,在各个可行域内使用二分法,就能得到固有圆频率值,按式f=ω/2π计算对应固有频率。