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力学进展 2025年第1期55卷 113-174页

作者：陈伟曹润青胡嘉纯代胡亮王琳华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074 华中科技大学航空航天学院工程力学系武汉430074 工程结构分析与安全评定湖北省重点实验室武汉430074

细长输流管道是发动机液压装置、航空加油机、核工业热交换器、海洋钻井平台等工程装备系统的一类重要结构.当流速较高时,细长管道可能会发生屈曲或颤振等流致失稳现象,严重时可酿成重大安全事故.输流管道的流致失稳及其非线性振动是典... 详细信息

细长输流管道是发动机液压装置、航空加油机、核工业热交换器、海洋钻井平台等工程装备系统的一类重要结构.当流速较高时,细长管道可能会发生屈曲或颤振等流致失稳现象,严重时可酿成重大安全事故.输流管道的流致失稳及其非线性振动是典型的流固耦合力学行为,已成为结构动力学、流固耦合力学等研究领域的一个普遍性范例.在建立动力学方程、明确稳定性机理和分析非线性振动规律之后,近年来人们极其关注输流管道的大变形/大位移动力学问题.本文系统介绍了细长输流管道非线性振动,特别是其弯曲大变形动力学的研究进展.首先,概述了输流管系统的非线性特征及其分类,简要分析了一些常用假设的合理性.其次,重点介绍了泰勒展开近似模型、几何精确理论模型、绝对节点坐标描述计算模型、数据驱动模型及相关的其他建模与求解方法.然后,针对两端支撑管道和悬臂管道两类有本质区别的动力学系统,回顾了其非线性动力学机理与演化规律,重点介绍了悬臂管道从小变形假设到大变形响应的一些新近研究进展.在此基础上,还介绍了提高输流管稳定性、抑制输流管非线性振动和利用输流管大变形响应的主要方法.最后,对细长输流管道大变形动力学的研究现状进行了归纳总结,并指出值得关注的几个基础性科学问题.

关键词：输流管道流固耦合大变形动力学几何精确模型绝对节点坐标法

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细长软体结构大变形动力学及其磁调控

细长软体结构大变形动力学及其磁调控

引用

作者：陈伟华中科技大学

学位级别：博士

由于软物质(软材料)在软体机器人、柔性电子和柔性医疗器械中具有广泛应用,其制备工艺和力学性能近年来得到了巨大提升。为了使软体结构能更精准、更高效地执行功能,相关的力学建模与分析必不可少。在已有工作中,软体结构的大变形行为... 详细信息

由于软物质(软材料)在软体机器人、柔性电子和柔性医疗器械中具有广泛应用,其制备工艺和力学性能近年来得到了巨大提升。为了使软体结构能更精准、更高效地执行功能,相关的力学建模与分析必不可少。在已有工作中,软体结构的大变形行为研究主要借助实验测试和商业仿真软件模拟等手段。实验测试和仿真模拟的手段既降低了力学分析的效率,又难以全面揭示和理解软体结构的大变形机理。软体力学作为一门介于经典固体力学与经典流体力学之间的新兴学科,迫切需要人们发展新鲜的基础理论来推动学科的进步。基于以上考虑,本文针对细长软体结构的大变形行为开展了深入的理论研究和力学分析。最近,学术界提出将硬磁微颗粒嵌入软材料基底,制备一种名为硬磁软材料的新型材料。本文主要以硬磁软材料及其应用为背景,开展了兼具理论意义与应用价值的细长软体结构的变形与振动行为研究。通过精确地考虑几何非线性因素,针对直梁和曲梁、二维变形和三维变形、静态响应和动态响应等软体力学问题,本文建立了硬磁软梁大变形行为的一系列理论模型。基于新发展的大变形理论模型,本文采用解析和数值方法研究了硬磁软梁的一些基础性的力学行为,探讨了其变形设计策略及力学性能优化的途径。此外,本文还创新性地提出利用硬磁软材料和外磁场来实现对软材料输流管大变形行为的磁调控。为了更精准地预测硬磁软材料输流管的大变形行为,本文发展了软材料输流直管和曲管的二维与三维几何精确动力学模型。新导出的输流管大变形振动方程不仅可以退化为已被广泛使用的小变形振动方程,还能高效地解决许多小变形理论所无法求解的新问题。本文的理论建模与计算的正确性得到了来自仿真、实验和绝对节点坐标法等多种结果的验证。大量计算表明:当外磁场作用于硬磁软梁时,材料的磁化方向可通过梁弯曲、扭转、拉压等变形与外磁场方向对齐。通过设计梁的磁化和外磁场的磁通量密度,硬磁软梁能实现各种复杂的功能性变形。通过嵌入功能梯度分布的硬磁粒子,硬磁软材料的磁敏感性能够得到提高,进而使结构在更小的磁载荷下实现更大变形。输流管的静变形、稳定性和大变形振动行为均能通过本文新提出的磁调控策略得到有效的调控。综上所述,本文以硬磁软梁和输流管为对象建立了细长软体结构大变形行为的理论模型,开展了一些相关的基础性力学问题研究。该工作既发展了软体力学的理论建模方法,又为硬磁软材料和流致振动领域的实际应用提供了理论基础和技术支持。本文工作也为后续软体板壳等复杂软体结构的力学行为、振动利用及控制研究提供了实践基础。

关键词：软体力学大变形行为非线性振动磁调控几何精确模型输流软管

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