于春蕾， 冀浩杰， 孟忠良,3， 盧紀(jì)麗， 徐 偉， C.Chiu

(1.棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160；2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100191； 3.山東大學(xué) 海洋研究院，山東 青島 266237)

曲梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的結(jié)構(gòu)主要包括圓弧曲梁、橢圓曲梁、拋物曲梁和雙曲曲梁等。曲梁結(jié)構(gòu)以其形狀易改變、力學(xué)性能優(yōu)良、承載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜管路建模方面能夠很好的對(duì)彎曲管路進(jìn)行曲梁結(jié)構(gòu)等效并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，例如：對(duì)航空器中的輸油管路、液壓管路[1]等。此外，曲梁結(jié)構(gòu)還廣泛地應(yīng)用于建筑、橋梁、機(jī)械、船舶等領(lǐng)域。其中，曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)行為不僅影響自身承載能力和穩(wěn)定性，同時(shí)其直接影響與其相連結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。因此，開展曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性研究，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持具有十分重要的意義。

葉康生等[2-3]基于p型超收斂算法研究了Timoshenko曲梁和Euler曲梁結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)特性。武蘭河等[4-5]采用微分容積法和空間迭代法研究了圓弧梁面內(nèi)的振動(dòng)特性。葉康生等[6]采用動(dòng)力剛度法研究了平面曲梁的面外自由振動(dòng)特性。許杠[7]基于求積元法推導(dǎo)了曲梁結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，研究了曲梁結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)特性。趙翔等[8]運(yùn)用格林函數(shù)建立Timoshenko曲梁的振動(dòng)方程并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)迫振動(dòng)分析。孫廣俊等[9]采用微分求積法研究了單跨圓形、回旋緩和曲線梁的固有振動(dòng)特性，同時(shí)研究了邊界條件、剛度比和翹曲系數(shù)對(duì)其振動(dòng)頻率的影響。陳明飛等[10]基于一階剪切變形理論和等幾何有限元法建立了任意曲率功能梯度曲梁的分析模型，并對(duì)其自由振動(dòng)特性開展了參數(shù)化研究。張建書等[11]基于浮動(dòng)框架有限元法和哈密爾頓原理建立了空間大運(yùn)動(dòng)曲梁的動(dòng)力學(xué)模型，研究了應(yīng)力剛化效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律。

Corrêa等[12]采用廣義有限元法研究了薄壁和厚壁彎曲梁模型的自由振動(dòng)特性。Jockovic等[13]采用等幾何法研究了伯努利-歐拉曲線梁和瑞利曲線梁的自由振動(dòng)特性。Luu等[14]基于剪切變形理論建立了橢圓曲梁等的幾何模型，同時(shí)研究了幾何參數(shù)對(duì)其非線性屈曲和后屈曲行為的影響。Lee等[15-16]基于Timoshenko梁理論，采用龍格庫塔法和行列式搜索等方法研究了彈性地基下非規(guī)則曲梁(橢圓、正弦和拋物曲梁)的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。Chen等[17]采用等幾何法建立了功能梯度壓電彎曲梁的動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)就其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)功能梯度壓電彎曲梁的振動(dòng)特性和瞬態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。Beg等[18]基于有效分層理論，采用哈密爾頓方法系統(tǒng)地研究了功能梯度深曲梁的動(dòng)力學(xué)特性。Ye等[19]提出了一種精確的光譜采樣表面方法，研究了變曲率彎曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性?？紤]剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，Tseng等[20]基于Timoshenko曲梁理論研究了變曲率復(fù)合材料層合梁的自由振動(dòng)特性。

此外，在工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于彈性支撐或半剛性連接(螺栓連接)中。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜工作環(huán)境下，邊界條件可能會(huì)產(chǎn)生變化，例如：螺栓連接中螺栓的松動(dòng)。因此，彈性邊界引起了研究人員廣泛的關(guān)注。Ye等[21]基于廣義哈密爾頓原理和諧波平衡法研究了曲梁在非線性邊界下的非線性振動(dòng)特性。Su等[22]采用改進(jìn)變分法建立了彈性邊界條件下功能梯度多孔壓電曲梁的動(dòng)力學(xué)模型，研究了其振動(dòng)特性。Sun等[23]提出彈性邊界下具有大曲率梁的數(shù)學(xué)模型，并研究了其渦激振動(dòng)和渦激發(fā)散響應(yīng)。

綜上所述，現(xiàn)有研究多采用等幾何法和有限元等方法對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析且其所建模型存在只能求解特定結(jié)構(gòu)的曲梁結(jié)構(gòu)等局限性。鑒于現(xiàn)有研究的不足，本文基于一階剪切變形理論和哈密爾頓原理建立了復(fù)雜邊界條件下四種典型曲梁結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)分析模型，研究了復(fù)雜邊界條件下任意變曲率曲梁結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)特性和受迫響應(yīng)。本文建立的曲梁結(jié)構(gòu)模型具有收斂性好、計(jì)算效率高和計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文研究內(nèi)容主要包括三部分：首先，建立四種典型曲梁結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)分析模型并驗(yàn)證模型的收斂性。然后，與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果和有限元軟件ABAQUS仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。最后，開展曲梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、邊界條件以及脈沖載荷類型對(duì)其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)的影響研究，為曲梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論和技術(shù)支持。

1 理論推導(dǎo)

1.1 曲梁結(jié)構(gòu)模型介紹

曲梁結(jié)構(gòu)及其邊界條件示意圖，如圖1所示。選取正交坐標(biāo)系對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，考慮3個(gè)方向的自由度x,y,z。u,v,w分別表示對(duì)應(yīng)于x,y,z3個(gè)方向上的位移分量。曲梁的中性面被視作參考平面，其中心線表示曲梁的中心線。為便于描述中心線的變化規(guī)律，選用φ代替x進(jìn)行描述。h和b分別表示曲梁的厚度和寬度。Rφ表示曲率半徑，當(dāng)Rφ=∞時(shí)，曲梁可以被視作直梁。此外，如圖1所示本文曲梁結(jié)構(gòu)的約束條件采用邊界彈簧進(jìn)行施加，ku,kw,kφ分別表示邊界彈簧的3個(gè)方向的彈簧剛度。

圖1 曲梁結(jié)構(gòu)及邊界條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of curved beam structure and boundary condition

為了方便起見，本文假定曲梁均是以中心線為變化特征，僅考慮xz平面內(nèi)的變形。同時(shí)指出，本文主要研究對(duì)象包括圓弧、橢圓、拋物和雙曲曲梁四種典型的曲梁結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四種典型曲梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of four typical curved beam structures

圓弧曲梁的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2(a)。圖2(a)中：φ0和φ1分別為圓弧曲梁的起始和終止角度；R(φ)為曲率半徑，對(duì)于圓弧曲梁來說，曲率半徑是一個(gè)定值，即R(φ)=R。

橢圓曲梁的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2(b)。圖2(b)中：φ0和φ1分別為橢圓曲梁的起始和終止角度；ae和be分別為橢圓的長半軸和短半軸的長度；R(φ)為曲率半徑，其具體表達(dá)式如式(1)所示

(1)

拋物曲梁的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2(c)。圖2(c)中：φ0和φ1分別為拋物曲梁的起始和終止角度，其表達(dá)式如下所示；L為拋物曲梁沿x軸方向的長度；R0和R1分別為拋物曲梁起始和終止點(diǎn)的半徑；R(φ) 為曲率半徑，其具體表達(dá)式如式(2)所示

(2)

式中，k為拋物線曲率的特征參數(shù)。

雙曲曲梁的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2(d)。圖2(d)中：φ0和φ1分別為雙曲曲梁的起始和終止角度，其表達(dá)式如下所示；R0和R1分別為雙曲曲梁起始和終止點(diǎn)的半徑；L0和L1分別為雙曲曲梁起始和終止點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；L為雙曲曲梁沿x軸方向的長度；Rs為旋轉(zhuǎn)軸x′到幾何軸x之間的垂直距離；ah為雙曲線半橫軸的長度；Rs為雙曲曲梁的曲率半徑，其具體表達(dá)式如式(3)所示

(3)

式中，bh為雙曲線共軛半軸的長度。

1.2 曲梁結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)一階剪切變形梁理論，曲梁上任意一點(diǎn)的位移函數(shù)可以寫成

U(φ,y,z,t)=u(φ,y,t)+zψφ(φ,y,t),
W(φ,y,z,t)=w(φ,y,t)

(4)

式中：U和W分別為曲梁上任意一點(diǎn)沿φ和z方向的位移分量；u和w分別為曲梁中性面上相應(yīng)點(diǎn)的位移分量；ψφ為φ軸法線方向繞曲梁中性面的旋轉(zhuǎn)分量。

根據(jù)曲梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變與位移之間的線性關(guān)系，曲梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變可以寫成

(5)

(6)

根據(jù)一階剪切變形梁理論，曲梁的本構(gòu)方程可以寫成

σ=Aε,

(7a)

(7b)

式中：σ為應(yīng)力向量；N為由面內(nèi)應(yīng)力、彎曲和扭轉(zhuǎn)組成的應(yīng)力向量；Nφ，Ny和Nφy為面內(nèi)應(yīng)力；My為彎矩；Mφy為扭矩；ε為由中性面上應(yīng)變和曲率組成應(yīng)變向量；κ為剪切變形因子，一般取值為5/6；A為應(yīng)變與應(yīng)力之間的變換矩陣，A矩陣中Aij，Bij和Cij(i,j=1, 2, 6)的具體表達(dá)式為

(8a)

(8b)

(9a)

(9b)

根據(jù)能量原理，曲梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能可以定義為

(10)

同理，曲梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)能可以定義為

(11)

式中：“·”為對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)；ρ為曲梁結(jié)構(gòu)的密度。同時(shí)指出，在研究曲梁結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)時(shí)，應(yīng)該考慮由外載荷引起的勢能，其具體表達(dá)式為

(12)

式中，fu，fw和ψφ分別為外載荷力和力矩。由上所述，本文選用邊界彈簧來模擬曲梁結(jié)構(gòu)的邊界條件，所以必須考慮邊界彈簧的勢能，具體表達(dá)式為

(13)

式中：kLu,kLw和kLφ為曲梁結(jié)構(gòu)左側(cè)邊界彈簧的彈簧剛度；kRu,kRw和kRφ為曲梁結(jié)構(gòu)右側(cè)邊界彈簧的彈簧剛度。

綜上所述，本節(jié)已經(jīng)給出了曲梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能、動(dòng)能、外力勢能和邊界彈簧勢能的表達(dá)式。根據(jù)哈密爾頓原理，拉格朗日函數(shù)Π的表達(dá)式為

Π=U-T+W+Ub

(14)

1.3 曲梁結(jié)構(gòu)模型求解

為了便于對(duì)上述模型進(jìn)行求解，提高收斂速度，本文選取切比雪夫多項(xiàng)式和傅里葉級(jí)數(shù)來描述曲梁結(jié)構(gòu)的位移容許函數(shù)，其具體表達(dá)式為

(15)

式中：u為曲梁位移分量組成的列向量；Um為與位移分量相對(duì)應(yīng)的假定位移系數(shù)組成的列向量；ω為角頻率；t為時(shí)間變量；M為位移容許函數(shù)的最高階次(截?cái)鄶?shù))；Pm(φ) 為關(guān)于位移分量的第m階切比雪夫多項(xiàng)式，其具體表達(dá)式為

P0(φ)=1，P1(φ)=φ

(16a)

Pt(φ)=2φPt(φ)-Pt-1(φ)，2≤t≤M

(16b)

通過使用Ritz方法，可以得到

(17)

進(jìn)而得到了曲梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣

(18a)

(18b)

通過添加外部載荷后可以得到曲梁結(jié)構(gòu)的特征方程，具體表達(dá)式為

(19)

式中：q為廣義位移列向量；M和K分別為曲梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；Kb為由邊界彈簧引起的剛度矩陣；F為外載荷矩陣。假定曲梁做諧波運(yùn)動(dòng)，在不考慮外載荷的情況下，曲梁的特征方程將變換成

(20a)

(20b)

通過式(19)和式(20)可以求解曲梁結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)和受迫響應(yīng)(穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng))。為了便于直觀描述本文模型的求解過程，本節(jié)給出了曲梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性求解的流程圖，如圖3所示。

圖3 模型求解流程圖Fig.3 Flow chart of model solving

2 算例分析

2.1 模型收斂性驗(yàn)證

曲梁結(jié)構(gòu)的收斂性驗(yàn)證主要包括2個(gè)方面：一方面是關(guān)于截?cái)鄶?shù)的收斂性驗(yàn)證；另一方面是關(guān)于邊界彈簧剛度的收斂性驗(yàn)證。前者是為了確定模型求解的最佳截?cái)鄶?shù)，后者是為了確定模型求解的最佳邊界彈簧剛度，具體求解結(jié)果如圖4和圖5所示。本文所用曲梁結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：圓弧曲梁——B=h=0.1 m,L=1 m,φ0=-π/3,φ1=π/3,R=L/(φ1-φ2)；橢圓曲梁——B=h=0.1 m,ae=1 m,be=0.5 m,φ0=-π/2,φ1=π/2；拋物曲梁——B=h=0.06 m,R0=1 m,R1=2 m,L=1.5 m；雙曲曲梁——R0=R1=0.5 m,Rs=4 m,ah=3 m,L0=1 m,L1=1 m,L=2 m,B=h=L/25。曲梁結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)為：E=70 GPa,ρ=2 702 kg/m3,v=0.3。曲梁結(jié)構(gòu)的邊界條件為自由邊界。

從圖4可以看出，四種典型曲梁結(jié)構(gòu)的一階無量綱頻率隨著截?cái)鄶?shù)的增加均趨向于某一定值。上述模型結(jié)果趨于定值現(xiàn)象說明模型結(jié)果已經(jīng)收斂。為了保證模型收斂的速度和求解精度，本文選取模型截?cái)鄶?shù)M為8。同時(shí)指出，無量綱頻率Ω的表達(dá)式為

圖4 曲梁結(jié)構(gòu)的無量綱頻率隨截?cái)鄶?shù)的變化規(guī)律Fig.4 Variation of dimensionless frequency of curved beam structure with truncation number

(21)

式中：f為曲梁結(jié)構(gòu)的頻率；L為曲梁的長度，對(duì)于橢圓曲梁來說，其長度為ae。

從圖5可以看出，曲梁結(jié)構(gòu)的一階無量綱頻率隨著邊界彈簧剛度的增加呈現(xiàn)出先保持不變，緊接著增加，后保持不變的變化趨勢。上述現(xiàn)象表明當(dāng)邊界彈簧剛度增加到1014時(shí)，模型結(jié)果已經(jīng)收斂。根據(jù)上述變化規(guī)律，可以確定曲梁結(jié)構(gòu)在施加相應(yīng)邊界條件下的彈簧剛度取值。曲梁結(jié)構(gòu)邊界條件的定義如下所示：自由邊界F-F(ku=kw=kφ=0)；固支邊界C-C(ku=kw=kφ=1014)；簡支邊界S-S(kw=1014,ku=kφ=0)；彈性邊界E1-E1(ku=108,kw=kφ=1014),E2-E2(kw=108,ku=kφ=1014),E3-E3(kφ=108,ku=kw=1014),E4-E4(kw=ku=kφ=108)。

圖5 曲梁結(jié)構(gòu)的無量綱頻率隨邊界彈簧剛度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of dimensionless frequency of curved beam structure with boundary spring stiffness

綜上所述，本文所建曲梁結(jié)構(gòu)模型具有良好的收斂性。此外，通過上述分析確定了模型求解過程中截?cái)鄶?shù)和邊界彈簧剛度的取值。

2.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

基于上述對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)模型收斂性的驗(yàn)證，本節(jié)對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證分為固有頻率驗(yàn)證、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證、瞬態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證3個(gè)部分。模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證的具體措施是將本文模型求解結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果和有限元軟件ABAQUS分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模型固有頻率的驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，其曲梁模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖4曲梁結(jié)構(gòu)相同。

表1 曲梁結(jié)構(gòu)模型的固有頻率對(duì)比驗(yàn)證Tab.1 Comparison and verification of natural frequencies of curved beam structure model

從表1可以看出，本文模型在不同邊界條件下求解得到一階固有頻率與已有文獻(xiàn)和有限元軟件ABAQUS中相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，其中有限元方法采用的是ABAQUS中的殼單元，因?yàn)闅卧捅疚乃岢龅牧簡卧己雎粤撕穸鹊挠绊?，所以這兩類方法具有很好的一致性。單元數(shù)徑向劃分為85個(gè)單元，軸向劃分為2個(gè)單元，單元總數(shù)為85×2。通過對(duì)比可以說明本文模型求解曲梁結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)特性的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和通用性。

曲梁結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果，如圖6所示。在模型穩(wěn)態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證之前，首先對(duì)模型的幾何參數(shù)、載荷大小以及施加位置進(jìn)行說明。圓弧曲梁：B=h=0.1 m,L=1 m,φ0=π/6,φ1=5·π/6,R=L/(φ1-φ2)；載荷的施加位置[R·cos(π/3), 0.5,R·sin(π/3)]；載荷大小(0,0,-1); 測點(diǎn)位置(0,0.5,R)；掃頻范圍200～1 600 Hz。橢圓曲梁：B=h=0.1 m,ae=2 m,be=1 m,φ0=-π/2,φ1=π/2；載荷的施加位置(0,0.5,1)；載荷大小(0,0,-1); 測點(diǎn)位置(0,0.5,1)；掃頻范圍200～1 200 Hz。拋物曲梁：B=h=0.1 m,R0=1 m,R1=2 m,L=2 m；載荷的施加位置(1, 0.5, 0.707 1)；載荷大小(0.447 ,-0.894 ,0)；測點(diǎn)位置(0.5, 0.5, 0.5)；掃頻范圍200～1 000 Hz。雙曲曲梁：R0=R1=0.5 m,Rs=4 m,ah=3 m,L0=1 m,L1=1 m,L=2 m,B=h=0.1 m；載荷的施加位置(0, 0.5, 1)；載荷大小(0, 0.5, -1)；測點(diǎn)位置(0, 0.5, -1)；掃頻范圍200～1 600 Hz。掃頻間距均為1 Hz。曲梁模型的材料參數(shù)與圖4曲梁模型定義相同，曲梁模型邊界條件是均為固支邊界。

圖6 曲梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的對(duì)比結(jié)果Fig.6 Comparison results of steady-state response of curved beam structure

從圖6可以看出，本文曲梁結(jié)構(gòu)模型求解的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)結(jié)果與有限元模型預(yù)測結(jié)果具有較好的一致性。對(duì)于拋物曲梁結(jié)構(gòu)，其在高頻段的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)結(jié)果與有限元結(jié)果存在明顯誤差，但兩者的變化趨勢基本一致。分析上述現(xiàn)象，其主要原因?yàn)閽佄锴航Y(jié)構(gòu)的具有幾何不對(duì)稱的特性，在有限元模擬中可能會(huì)因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性產(chǎn)生仿真誤差，但誤差在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí)指出，圖6中的位移響應(yīng)是根據(jù)實(shí)際位移結(jié)果換算得到的，具體換算公式為

X=lg[abs(x)]

(22)

式中：x為實(shí)際位移響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果；X為換算后的位移響應(yīng)結(jié)果。

曲梁結(jié)構(gòu)模型的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。曲梁模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖6曲梁模型的參數(shù)相同，脈沖載荷的類型為矩形脈沖載荷。對(duì)于不同類型的曲梁結(jié)構(gòu)，施加脈沖載荷的時(shí)間不同，但其時(shí)間步長相同且均為200。

從圖7可以看出，本文曲梁結(jié)構(gòu)模型求解的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果與有限元模型的預(yù)測結(jié)果吻合較好。但對(duì)于拋物曲梁，其瞬態(tài)響應(yīng)求解結(jié)果與有限元分析結(jié)果存在明顯誤差，產(chǎn)生上述誤差的原因與拋物曲梁穩(wěn)態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)的誤差原因相同。

圖7 曲梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison results of transient response of curved beam structure

綜上所述，本文所建曲梁結(jié)構(gòu)統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(自由振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng))進(jìn)行有效預(yù)測。

2.3 模型參數(shù)化研究

由上所述，本文對(duì)已建立的曲梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了收斂性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所建曲梁結(jié)構(gòu)統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)分析模型具有較好的收斂性，同時(shí)其可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜邊界條件下不同類型曲梁結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)特性的快速高精度求解?；诒疚乃ㄇ航Y(jié)構(gòu)模型，本節(jié)開展曲梁幾何參數(shù)、邊界條件以及脈沖載荷類型對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響影響的研究，為工程應(yīng)用中曲梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

曲梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響，如圖8所示。除了曲梁結(jié)構(gòu)厚度h以外，曲梁結(jié)構(gòu)模型的模型參數(shù)與圖6所用的模型參數(shù)相同。

圖8 曲梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨結(jié)構(gòu)厚度的變化規(guī)律Fig.8 Variation of steady-state response of curved beam structure with structural thickness

從圖8可以看出，曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)水平的變化規(guī)律為：①曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)水平隨著曲梁厚度的增加而明顯降低；②曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值隨著曲梁厚度的增加向高頻段移動(dòng)；③曲梁位移響應(yīng)峰值的數(shù)量隨著曲梁厚度的增加而減少。分析結(jié)果表明，增加曲梁厚度將使曲梁結(jié)構(gòu)的共振頻率向高頻方向移動(dòng)，有效提高其穩(wěn)定性。

曲梁結(jié)構(gòu)邊界條件對(duì)位移響應(yīng)的影響結(jié)果，如圖9所示。本文研究的邊界條件是指彈性邊界，曲梁結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)與圖7中所用的模型參數(shù)相同。

圖9 曲梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨邊界條件的變化規(guī)律Fig.9 Variation of steady-state response of curved beam structure with boundary conditions

從圖9中可以看出，曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)水平和峰值數(shù)量隨著彈性邊界的變化基本保持不變，但是曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值會(huì)發(fā)生移動(dòng)。此外，隨著彈性邊界由E1-E1變化E4-E4，曲梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值會(huì)逐漸向低頻方向移動(dòng)。分析結(jié)果表明，曲梁結(jié)構(gòu)在彈性邊界E1-E1下的穩(wěn)定性最好，而在E4-E4邊界下穩(wěn)定性最差。

脈沖載荷類型對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的影響結(jié)果如圖10所示。除了脈沖載荷類型以外，曲梁結(jié)構(gòu)模型的模型參數(shù)與圖7所用的模型參數(shù)相同，脈沖載荷類型的定義見文獻(xiàn)[25]。

從圖10可以看出，曲梁瞬態(tài)響應(yīng)隨脈沖載荷的變化規(guī)律為：①在矩形脈沖和指數(shù)脈沖載荷下，曲梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的變化趨勢相同，但兩者的瞬態(tài)響應(yīng)峰值有所不同；②在三角形和半正弦脈沖下，曲梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的變化趨勢基本相同，整體呈正余弦規(guī)律變化且位移響應(yīng)峰值相差不大。分析結(jié)果表明，不同的脈沖載荷類型對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響程度的不同，矩形脈沖和三角形脈沖的影響最為顯著。

圖10 曲梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)隨脈沖載荷的變化規(guī)律Fig.10 Variation of transient response of curved beam structure with pulse load

3 結(jié) 論

(1) 本文基于一階剪切變形梁理論和哈密爾頓原理建立了復(fù)雜邊界條件下曲梁結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)分析模型，考慮了4個(gè)典型的曲梁結(jié)構(gòu)，即圓弧曲梁、橢圓曲梁、拋物曲梁和雙曲曲梁。

(2) 本文建立的曲梁結(jié)構(gòu)統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)分析模型具有較好的收斂性和較高的求解精度，可以有效預(yù)測復(fù)雜邊界條件下曲梁結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)特性，包括自由振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。

(3) 對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)厚度、彈性邊界條件以及脈沖載荷類型開展了參數(shù)化研究。分析結(jié)果表明，隨著曲梁結(jié)構(gòu)厚度的增加其穩(wěn)定性會(huì)提高且共振頻率向高頻方向移動(dòng)；隨著彈性邊界條件的變化，曲梁結(jié)構(gòu)在彈性邊界E1-E1下的穩(wěn)定性最好，在彈性邊界E4-E4下的穩(wěn)定性最差；相較于三角形和半正弦脈沖，矩形脈沖和三角形脈沖載荷對(duì)曲梁結(jié)構(gòu)模型的影響顯著。