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作大范围运动功能梯度材料梁的动力学特性研究

功能梯度材料梁；刚柔耦合；有限元法；动力学

结构优化与结构行为分析 > 结构力学行为分析

采用假设模态法和有限元法两种离散方法描述柔性梁的变形场，对作大范围运动的中心刚体-功能梯度材料梁的动力学特征进行研究。假设功能梯度材料的物理参数为沿着梁厚度方向变化的幂函数，考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形，同时计及横向弯曲变形引起的纵向缩短，即非线性耦合项。运用第二类Lagrange方程推导得到两种不同离散方法描述的具有统一形式的系统刚柔耦合动力学方程。通过与假设模态法的数值仿真结果对比，验证本文建立有限元模型的正确性。通过大变形算例，说明基于小变形假设的假设模态法计算上的局限性。在此基础上讨论功能梯度指数对作大范围转动柔性梁动力学特性的影响。结果表明基于小变形假设的假设模态法并不能处理大变形问题。在功能梯度材料梁其他物理参数不变的条件下，功能梯度材料梁的最大位移随着功能梯度指数 增大而增大。梁的横向弯曲固有频率会随着转速的增加而变大，当转速一定时，固有频率会随着功能梯度指数 增大而减小。