运动板壳的振动特性研究及其在表面质量控制中的应用

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运动板壳普遍存在于工程中的各个领域,其中尤以轴向运动板、轴向运动圆柱壳以及旋转圆柱壳最为常见,它们在运动状态下表现出的不同振动特性引起了各国学者的广泛和高度关注。轴向运动板在很长一段时间被简化为轴向运动弦和梁来研究,这种简化对于中等宽度及以上板的动力学研究会产生很大误差甚至错误,而对于轴向运动板模型的振动研究,在最近十几年才逐渐活跃起来,但主要局限于理论方面的讨论和分析,与轴向运动板浓厚的工程背景相脱离。而轴向运动圆柱壳,其对应的工程实例已逐渐采用多组分材料并经常伴随几何大变形,由于其振动问题求解困难而鲜见相关报导,开展相应的研究工作有非常现实的理论和工程意义。虽然旋转圆柱壳的振动研究开展较早,但多集中于其固有特性的分析,对工程较为常见的法向激励下的受迫振动研究也亟需展开。本文针对目前运动板壳振动研究中出现的问题,以轴向运动薄板、旋转薄壁圆柱壳和轴向运动分层复合材料圆柱壳为研究对象,紧密依托其应用背景,对运动板壳的振动特性进行了理论、数值和试验研究。同时,将研究成果应用于连续热镀锌钢带的表面质量在线控制。论文主要工作和成果如下:(1)研究工程应用中常见影响因素共同作用下的轴向运动薄板的横向振动特性。应用哈密顿原理建立了考虑轴向速度、张力、阻尼、支撑运动、非线性载荷等因素作用下的轴向运动薄板动力学方程,用理论方法分析了工程可控生产参数对薄板固有特性和振动响应的影响,得到了与工程实际相一致的结论,即在连续热镀锌生产线上,提高钢带速度和减小钢带张力将使降低气刀附近钢带振幅更加困难。同时提出了一种计算组合悬臂板固有特性的方法。(2)研究连续热镀锌浸液钢带实时振动控制方法并构建钢带表面质量在线控制整体方案。建立了连续热镀锌生产线镀后冷却段不同产品钢带的振动模型,采用有限元方法验证了模型中假设支撑的正确性。通过现场测试的分析结果来确定钢带受到的主要激励,运用有限元仿真对部分浸锌液钢带振动的固有特性和振动响应进行了参数研究。将前面得到的轴向运动薄板理论研究成果和有限元仿真技术相结合,引入多元二次回归,通过优化生产参数降低气刀附近钢带振动。这种方法具有计算速度快、误差小及便于程序实现等特点,基于此方法开发了离线振动预测系统,并提出了连续热镀锌钢带表面质量在线控制的整体解决方案。(3)研究轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的非线性振动特性。首先提出了一种将试验和理论分析相结合的方法来研究复合材料薄壁圆柱壳的动态弹性模量,得到了动态弹性模量与激振力频率之间的Lorentzian函数关系。在此基础上,分别采用Runge-Kutta法和多尺度法对轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳在法向简谐激励下的非线性振动特性进行了研究,两种方法所得结论一致并观察到了系统内共振现象,分析了不同参数对系统振动特性的的影响,同时讨论了解的稳定性。研究结果表明,材料的分层使系统呈现了明显的软特性。(4)研究法向激励下考虑几何非线性的旋转薄壁圆柱壳的波动振动。首先采用复分析方法研究了法向激励下旋转薄壁圆柱壳的线性波动振动,获得了行波共振频率的数学表达。然后采用渐近摄动法研究并得到了几何非线性将导致薄壁圆柱壳的非线性频率出现硬化。接着对法向激励下考虑几何非线性的旋转薄壁圆柱壳的非线性波动振动进行了多模态数值研究,计算结果表明了轴向二阶模态对主模态的较大影响。在此基础上,周向只取主模态,轴向选用两个模态,采用平均法对系统进行研究并开展了参数振动及稳定性分析。研究表明,平均法的计算结果在多值区比谐波平衡法更接近数值解。
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