旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電圓板磁彈性振動(dòng)分析

李 哲，胡宇達(dá)，姚臻臻

（1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省重型裝備與大型結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電圓板磁彈性振動(dòng)分析

李 哲，胡宇達(dá)?，姚臻臻

（1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省重型裝備與大型結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

研究了磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電薄板在外激勵(lì)作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)問題。在給出動(dòng)能、應(yīng)變能和電磁能表達(dá)式的基礎(chǔ)上，根據(jù)哈密頓原理導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)圓板在磁場(chǎng)中橫向載荷作用下的軸對(duì)稱磁彈性振動(dòng)方程。假設(shè)位移函數(shù)并運(yùn)用分離變量法分離時(shí)間變量和空間變量，應(yīng)用伽遼金積分法，得到激勵(lì)作用下圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程并求解。通過數(shù)值計(jì)算得到簡(jiǎn)支和固支兩種邊界條件下的幅頻曲線和相軌跡圖，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度、圓板的厚度、半徑和轉(zhuǎn)速的變化對(duì)振動(dòng)的影響。

磁彈性；旋轉(zhuǎn)圓板；振動(dòng)；軸對(duì)稱；伽遼金法

0 引言

在現(xiàn)代高新技術(shù)工程領(lǐng)域中，導(dǎo)電導(dǎo)磁類構(gòu)件在航空航天、核工業(yè)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電磁傳感器等裝置中有著廣泛的應(yīng)用。處于磁場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)電圓板、圓環(huán)板因受到電、力、磁等多場(chǎng)耦合作用，其運(yùn)動(dòng)行為較為復(fù)雜。目前許多學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電圓板研究并取得了一些成果。Bauer H F等［1］研究了不同邊界條件下等厚度旋轉(zhuǎn)圓板的振動(dòng)問題。Touzé C等［2］應(yīng)用多尺度法計(jì)算自由邊界圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)問題。Mu T R［3］分析了復(fù)合材料圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)問題，運(yùn)用瑞利?里茲法給出了強(qiáng)迫振動(dòng)的近似解并進(jìn)行數(shù)值分析。Celep Z等［4］對(duì)Winkler支撐的剛性圓板強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行了分析。Xiang Y等［5］針對(duì)階梯圓板在不同邊界條件和參數(shù)下的自由振動(dòng)進(jìn)行了大量研究。Allahverdizadeh A等［6］分析了功能梯度圓板的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)。Dong C Y［7］運(yùn)用切比雪夫?里茲法對(duì)圓板的電彈性和磁彈性振動(dòng)進(jìn)行了研究，并針對(duì)不同材料進(jìn)行了計(jì)算和分析。余水豐等［8］針對(duì)周期均布載荷作用下軸對(duì)稱變厚度圓板的非線性強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行了分析，用小參數(shù)攝動(dòng)法對(duì)振動(dòng)方程進(jìn)行了求解。胡宇達(dá)等［9?11］對(duì)磁場(chǎng)中的圓形、矩形板的強(qiáng)迫振動(dòng)及自由振動(dòng)進(jìn)行了研究，得到了很多的研究成果。賈乃文等［12］運(yùn)用分離變量法分析了剛／粘塑型圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)并給出了振動(dòng)時(shí)的撓度與內(nèi)力解。徐旭等［13］針對(duì)厚圓板的軸對(duì)稱振動(dòng)進(jìn)行了研究，求解了厚圓板在固支和簡(jiǎn)支條件下的對(duì)稱與反對(duì)稱的自由振動(dòng)問題。杜國君等［14］針對(duì)階梯圓板和環(huán)板運(yùn)用修正迭代法對(duì)大撓度振動(dòng)問題進(jìn)行了研究。王晉瑩等［15］推導(dǎo)出了具有初撓度圓板的振動(dòng)方程并運(yùn)用伽遼金法和攝動(dòng)法求解出振動(dòng)的周期解。本文得到旋轉(zhuǎn)圓板的磁彈性軸對(duì)稱強(qiáng)迫振動(dòng)方程并對(duì)其求解，針對(duì)周邊簡(jiǎn)支和夾支兩種邊界條件下的圓板，繪制幅頻曲線并分析磁感應(yīng)強(qiáng)度、圓板半徑和厚度變化對(duì)振動(dòng)的影響。

1 旋轉(zhuǎn)圓板磁彈性振動(dòng)方程

1.1 動(dòng)能與勢(shì)能

對(duì)于在磁場(chǎng)中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓形薄板，設(shè)薄板內(nèi)任意一點(diǎn)的位移矢量在柱坐標(biāo)系3個(gè)方向的分量為

式中，ur、uθ為薄板的中面位移；w為薄板的橫向位移；和為轉(zhuǎn)角位移；r、θ、z分別為徑向、環(huán)向和法向坐標(biāo)；t為時(shí)間變量。

根據(jù)式（1）～（3），通過求導(dǎo)運(yùn)算，得到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)薄板的速度分量表達(dá)式：

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)薄板由彎曲變形引起的形變勢(shì)能Uε1表達(dá)式為

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)薄板的中面應(yīng)變勢(shì)能為

式中，Mr、Mθ為彎矩；Mrθ為扭矩；κr、κθ為曲率；κrθ為扭率；Nr、Nθ、Nrθ為中面內(nèi)力；εr、εθ、γrθ為中面應(yīng)變。

1.2 哈密頓原理建立振動(dòng)方程

根據(jù)哈密頓原理，在固定時(shí)刻t0和t1上積分：

將式（5）～（7）代入式（8）中，并考慮軸對(duì)稱振動(dòng)問題，經(jīng)過變分運(yùn)算，推得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圓形薄板的磁彈性軸對(duì)稱振動(dòng)方程：

1.3 電磁力表達(dá)式

在磁場(chǎng)中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的薄板將受到洛侖茲力的作用，薄板單位體積內(nèi)電磁力表達(dá)式為

其中，J＝σ0（e＋V×B）；e為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；V為板內(nèi)各點(diǎn)速度矢量；σ0為電導(dǎo)率。

對(duì)式（11）沿板厚方向積分，忽略電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，可得到式（9）和（10）中薄板所受電磁力和力矩的表達(dá)式為

2 橫向磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)

2.1 圓板軸對(duì)稱強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程

針對(duì)在橫向磁場(chǎng)環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圓板，將對(duì)應(yīng)的動(dòng)能、彎矩內(nèi)力、中面內(nèi)力和電磁力、電磁力矩表達(dá)式帶入到振動(dòng)方程（10）中，得到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)薄板關(guān)于橫向撓度的磁彈性軸對(duì)稱振動(dòng)方程：

設(shè)滿足邊界條件的位移解為如下展開形式：

其中，R為圓板半徑。系數(shù)選取為：周邊夾支約束情況取 C1＝－2、C2＝1；周邊簡(jiǎn)支約束情況取

將式（16）代入到式（15）中，應(yīng)用伽遼金法進(jìn)行積分，得到激勵(lì)作用下圓板的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程：

2.2 圓板強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程求解

給定激勵(lì)力Pz＝q0sin（ωt），q0為激勵(lì)力幅，ω為激勵(lì)力頻率。則振動(dòng)微分方程化為

其中，系數(shù)b＝b2／b1，無阻尼固有頻率＝b1／b4。

振動(dòng)方程（19）的一個(gè)特解為

其中，振幅A＝βqst；放大因子響應(yīng)與激勵(lì)的相位差；頻率比

3 算例分析

針對(duì)鋁制圓板磁彈性強(qiáng)迫振動(dòng)問題計(jì)算分析。主要參數(shù)：密度ρ＝2 670 kg／m3；半徑R＝0.5 m；板厚h＝16 mm；電導(dǎo)率σ0＝3.63×107（Ω·m）－1；泊松比μ＝0.34；彈性模量E＝71 GPa。

圖1可以得到在兩種邊界條件下放大因子隨頻率比的變化規(guī)律：當(dāng)s＜1時(shí)，放大因子呈上升趨勢(shì)；s＞1時(shí)，放大因子呈下降趨勢(shì)；當(dāng)s＝1時(shí)，系統(tǒng)激勵(lì)頻率接近固有頻率，放大因子迅速增大，系統(tǒng)發(fā)生共振，由于存在阻尼，最大值在s＝1偏左處；當(dāng)s＝0時(shí)，放大因子β＝1，即激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)振幅近似等于系統(tǒng)的靜位移；當(dāng)s→∞時(shí)，放大因子β→0，即激勵(lì)力頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，振幅趨近于0。當(dāng)頻率比一定時(shí)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，放大因子隨之減小。在相同條件下，簡(jiǎn)支邊界圓板的振幅比固支邊界圓板的振幅小。

圖2～4可以得到圓板在不同邊界條件下，放大因子在不同參數(shù)變化時(shí)的曲線圖。圖2可以得出，板厚一定時(shí)，放大因子隨著轉(zhuǎn)速的增加而減??；轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著板厚增加到某一值時(shí)，放大因子迅速增加，進(jìn)入共振區(qū)域；隨著板厚的繼續(xù)增加，放大因子迅速減小并趨近于0。圖3可以得到，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度比較小時(shí)，兩種邊界條件下圓板出現(xiàn)共振區(qū)域；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增加時(shí)共振峰值逐漸減小最后變化平緩。當(dāng)圓板半徑一定時(shí)，兩種邊界條件下放大因子隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而隨之減小。圖4可以得到在簡(jiǎn)支邊界條件下，放大因子隨著圓板轉(zhuǎn)速的增加而減小。在固支邊界條件下隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，不同轉(zhuǎn)速的曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度取值小于交叉點(diǎn)時(shí)，放大因子隨著轉(zhuǎn)速的增加而減加；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度取值大于交叉點(diǎn)時(shí)， 放大因子隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化幅頻曲線圖Fig.1 Curve of amplitude?frequency with different magnetic induction intensity

圖2 不同邊界條件下圓板的放大因子?轉(zhuǎn)速?板厚圖（B0z＝4 T、ω＝200 rad／s）Fig.2 Curve of amplification factor?rotation speed?plate thickness with different boundary conditions（B0z＝4 T、ω＝200 rad／s）

圖3 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下放大因子?半徑曲線圖（n＝9 000 r／min、ω＝200 rad／s）Fig.3 Charactertic curve of amplification factor?radius with different magnetic induction intensity（n＝9 000 r／min、ω＝200 rad／s）

圖5～7為兩種邊界條件下的不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的相軌跡圖，可以得到在頻率比一定時(shí)，兩種邊界條件下圓板的振幅隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度和板厚的增大而減小、隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。相同激勵(lì)時(shí)簡(jiǎn)支邊界圓板的振幅比固支邊界圓板的振幅大。對(duì)于兩種邊界條件可以看出，板厚的變化對(duì)振動(dòng)影響最大。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下放大因子?磁感應(yīng)強(qiáng)度特性曲線圖（h＝8 mm、ω＝200 rad／s）Fig.4 Charactertic curve of amplification factor?magnetic induction intensity with different rotation speed（h＝8 mm、ω＝200 rad／s）

圖5 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下相軌跡圖（n＝9 000 r／min、ω＝250 rad／s、h＝10 mm）Fig.5 Phase trajectory with different magnetic induction intensity（n＝9 000 r／min、ω＝250 rad／s、h＝10 mm）

圖6 不同轉(zhuǎn)速下相軌跡圖（B0z＝4 T、ω＝100 rad／s、h＝100 mm）Fig.6 Phase trajectory with different rotation speed（B0z＝4 T、ω＝100 rad／s、h＝100 mm）

圖7 不同板厚的相軌跡圖（B0z＝4 T、ω＝100 rad／s、n＝9 000 r／min）Fig.7 Phase trajectory with different plate thickness（B0z＝4 T、ω＝100 rad／s、n＝9 000 r／min）

4 結(jié)論

1）導(dǎo)出了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圓板在橫向磁場(chǎng)中的強(qiáng)迫振動(dòng)方程并對(duì)其求解。

2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到：a）畫出幅頻曲線圖，給出了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下放大因子與頻率比的關(guān)系，得到了系統(tǒng)的共振區(qū)域；b）給出放大因子與板厚、半徑和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并得到了在不同轉(zhuǎn)速和半徑條件下放大因子與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系；c）通過相軌跡圖給出了振幅與磁感應(yīng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速和板厚的關(guān)系，其中板厚對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)影響最大。

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Forced oscillation of conductive rotating circular plate in magnetic field

LI Zhe1，2，HU Yu?da1，2，YAO Zhen?zhen1，2
（1.School of Civil Engineering and Mechanics，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；2.Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

Forced oscillation of a conductive rotation thin circular plate under external excitation in magnetic field is investigated.By using Hamilton principle，the magneto?elastic vibration equations of a conductive rotating thin circular plate are deduced under the ac?tion of transverse load with the expressions of kinetic energy and strain energy considered.According to the set of a displacement func?tion and the separation of time and spatial variables with the method of separation of variables，forced oscillation differential equation with the load is obtained and solved through the application of Galerkin integral method.The amplitude?frequency and phase trajectory curves are obtained with fixed and simply supported boundary condition through the numerical calculation，the stability.The influence of magnetic induction intensity，rotation speed，plate thickness and radius on the vibration of the spinning plate are analyzed finally. Key words：magneto?elastic；forced oscillation；round plate；axial symmetry；Galerkin integral method

O442；O327

A

10．3969／j．issn．1007?791X．2015．05．014

1007?791X（2015）05?0464?07

2015?07?07 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11472239）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（A2015203023）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD20131055）

李哲（1990?），男，黑龍江鐵力人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇艔椥詣?dòng)力學(xué)；?通信作者：胡宇達(dá)（1968?），男，黑龍江牡丹江人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉蔷€性振動(dòng)、磁彈性力學(xué)等，Email：huyuda03＠163.com。