壁板结构屈曲后振动特性与响应分析

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飞行器为了减轻重量大量用采了薄壁板壳结构,随着飞行速度的越来越高,飞行器表面的薄壁板壳结构会承受多种载荷,包括由摩擦产生的热载荷和推力引起的强噪声载荷。热载荷作用下,由于热膨胀使会使薄壁结构发生屈曲,噪声载荷的作用可能会使热屈曲后的薄壁结构发生屈曲构型之间跳变。细致的对对结构的后屈曲特性、屈曲前后的振动特性、屈曲后结构发生跳变的机理进行研究,对充分挖掘其后屈曲承载能力,优化结构布局,提高结构的可靠性等均有着重要的意义。本文以Von-Karman的广义大挠度理论为基础,考虑几何非线性,推导了在热载荷和横向载荷共同作用下薄壁结构的非线性动力学方程,并从两种思路出发分析了薄板的振动问题。第一种是将薄板屈曲后的振动看成围绕后屈曲平衡位置的小幅线性振动,并将薄板横向位移分成屈曲位移和小幅振动位移两部分,然后利用伽辽金法进行求解。首先考虑温度梯度的存在,得到了四边简支和四边固支薄板的各阶临界屈曲温度和屈曲幅值随温度的变化,结果表明薄板屈曲后具有多个平衡构型,温度的增加会增大屈曲变形,温度梯度的存在会影响板部分构型的后屈曲路径。然后根据得到的屈曲幅值计算了薄板屈曲后线性频率随温度的变化,讨论了屈曲构型对屈曲后薄板振动频率的影响。最后使用模态叠加法得到了在横向载荷激励下板的振动响应。第二种思路是通过伽辽金法推导了受到均布热载和横向载荷共同作用下薄板的单模态坐标下的非线性振动方程。通过数值法求解得到薄板的非线性响应,分别对受热薄板的非线性自由振动、简谐激励下的受迫振动和噪声作用下的响应进行分析,并讨论了薄板的跳变现象。薄板的自由振动响应分析发现,当给屈曲后的板输入足够的能量,板就会发生跳变,还发现板在发生跳变前后的非线性振动频率随振动幅值的变化不同。通过简谐激励下的受迫振动分析发现,当激励力的频率接近板的固有频率板会发生共振,振幅剧烈增加,甚至会发生跳变。对噪声作用下单模态薄板的响应分析,除了数值解,我们还根据福克普朗克方程给出了响应的精确概率密度解。由此推出势能阱深度来表示薄板在在噪声载荷作用下发生跳变的难易程度,发现势阱深度越大跳变越难发生,通过参数分析给出了激励强度、阻尼、刚度和温度变化对随机跳变响应的影响。高的热载荷和结构刚度会抑制跳变的发生,但高的热载荷会引起大的屈曲变形,因此可以通过改变结构的非线性刚度,在抑制跳变发生和低的屈曲变形之间寻找一个平衡。
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