欧拉-伯努利梁平面超大挠性变形问题变分法求解
作者:
作者单位:

1.南京航空航天大学航空学院, 南京 210016;2.上海卫星工程研究所, 上海 200204

作者简介:

通讯作者:

李昊,男,博士,高级工程师,E-mail: hithaoli@126.com。

中图分类号:

O302

基金项目:

国家自然科学基金(11872207);机械结构力学与控制国家重点实验室基金(MCMS-I-0520G01);航空科学基金(0180952007)。


Variational Method for Quite Large Flexible Deformation Problem of Euler-Bernoulli Beams
Author:
Affiliation:

1.College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200204,China

Fund Project:

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    摘要:

    对于欧拉-伯努利悬臂梁平面超大挠性变形问题,由于其复杂的非线性几何方程,以位移为基本变量进行求解时,通常只能采用如多重打靶、微分求积等数值方法求得梁上离散点的位移值。本文研究了欧拉-伯努利悬臂梁平面超大挠性变形问题变分法求解理论。通过假设多项式形式的梁的曲率试函数以及常数中心线应变,基于欧拉-伯努利悬臂梁的基本假设,推导出了相互耦合的位移函数的精确表达式,并基于变分法理论和三角函数级数展开,推导出欧拉-伯努利梁的非线性控制方程组。利用迭代法对非线性控制方程组中的未知参数进行求解,最终得到欧拉-伯努利悬臂梁的位移函数的解析表达式。利用有限元计算结果对提出的变分法求解理论进行验证,并分别计算了欧拉-伯努利悬臂梁在自由端集中力及位移约束情况下的大变形。算例表明,基于本文的变分法求解理论,利用6个未知参数,即能够精确预测欧拉-伯努利悬臂梁在自由端集中力及位移约束下的超大挠性变形,该研究成果为欧拉-伯努利悬臂梁的超大变形问题提供了新的求解方法。

    Abstract:

    For a Euler-Bernoulli beam with quite large flexible deformation, due to its quite complicated nonlinear geometric equation, in common only the displacements of discrete nodes can be numerically predicted, by such as the multiple shooting method and the differential quadrature method. This study proposes the variational method for solving the large flexible deformation problem of Euler-Bernoulli beams. Instead of directly assuming the displacement functions, this study derives the exact forms of coupled displacement functions, based on the polynomial function of curvature and constant strain of central line. Further, based on the derived displacement functions, a group of nonlinear equations are derived following the standard procedure of the variational method. The proposed variational method for the quite large flexible deformation problem of Euler-Bernoulli beam is verified by finite element analysis. The predictions on an Euler-Bernoulli cantilever beam demonstrate that, with only six unknown parameters, the proposed variational method is able to accurately predict the quite large flexible deformations of an Euler-Bernoulli beam.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

孔祥森,李昊,宋雷鹏,沈星.欧拉-伯努利梁平面超大挠性变形问题变分法求解[J].南京航空航天大学学报,2023,55(1):67-72

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  • 收稿日期:2021-08-17
  • 最后修改日期:2021-12-08
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  • 在线发布日期: 2023-03-07
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