基于POD降阶方法的复合材料曲壁板颤振响应特性研究

建立了三维复合材料曲壁板的气动弹性有限元方程,将本征正交分解方法(POD)应用于三维复合材料曲壁板的非线性颤振响应降阶分析中,通过POD方法构造三维复合材料曲壁板颤振响应的POD模态,然后将系统的运动方程变换到POD模态坐标下,通过数值积分方法计算三维复合材料曲壁板的颤振响应,与传统的模态缩减法计算结果相比,结果很好的吻合,且大大节省了计算时间。     

大跨屋盖结构等效静风荷载研究

等效静风荷载为大跨屋盖结构设计提供了处理时空变化动力风荷载的有效途径。从两个方案对等效静风荷载研究,一种方案是采用模态等效静风荷载组合法,另一方案采用共振响应分量对应的模态等效静风荷载与本征正交分解法(POD)简化的荷载响应相关法(LRC)计算的背景等效静风荷载组合法,两个方案中通过加权因子考虑模态耦合项的影响。利用风洞试验同步测量单层柱面网壳结构的风压数据,根据完全二次型组合法(CQC)和平方总和开方法(SRSS)计算风致响应,结果表明模态耦合项可以忽略,仅选取前几阶模态即可获得准确响应结果。等效静风荷载计算的响应结果与CQC法计算结果进行校核。等效静风荷载确定两方案对比分析显示,第一种方案是非常有效、实用的确定等效静风荷载的方法,而第二个方案有助于分别对背景和共振等效静风荷载研究。     

单层球面网壳结构风致响应计算的块里兹向量法

单层球面网壳结构自振频率密集，且高阶模态可能对结构的风致响应有较大贡献。利用传统模态叠加法计算结构风致响应时需截取较多的模态，导致计算效率较低。本文提出的块里兹向量法所生成的向量都是被荷载所激发的，因此仅使用少数向量即可获得准确的响应结果。块里兹向量迭代所需的多荷载模式可以利用本征正交分解（POD）技术获得，这种技术将脉动风压场分解为与时间无关的协方差模态以及与空间位置无关的主坐标。根据风洞实验同步测量的风压数据，利用本文计算了0．1和0．2矢跨比的单层球面网壳的风致响应。通过与传统模态叠加法计算结果的对比分析说明了本文方法的有效性。     

基于风振特性的多目标等效静风荷载分析方法

提出根据风振响应特征,构造多目标等效静风荷载的荷载基本向量,当脉动风效应中以背景响应为主、且存在显著主导本征模态时,选择本征模态作为荷载基本向量;当以共振响应为主、且存在显著主导振型时,将主导振型惯性力作为荷载基本向量;当风效应中无显著主导本征模态或者无显著主导振型时,将屋面上表面各点法向分别作用单位力作为荷载基本向量。根据最小二乘法得到这些基本向量的组合系数,保证在该等效静风荷载下,结构所有关键位置响应与实际动力响应极值间的误差最小。并将该方法应用于平面桁架和单层球面网壳,验证了该文所述方法的计算精度。     

复杂多塔结构风致响应研究

基于刚性模型风洞测压试验的结果,对一个多塔结构进行风致响应研究,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算.分析了结构的风致响应,计算结果表明:多塔结构各个塔顶之间的风致响应随风向具有类似的变化规律,最大总位移及加速度出现时风向基本相同;前两阶侧向弯曲振型和第三阶扭转振型对应的共振分量贡献了动力响应的主要能量.     

大跨屋盖时域多目标等效静力风荷载计算方法

根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是:利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量;引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。     

经验模态分解剔除结构地震响应位移漂移

提出了一种基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)剔除位移响应漂移量的算法.这种算法将漂移成分视为EMD分解的最终残量(Residue),从原时程响应信号中分离并剔除EMD分解的最终残量后,再利用本征模函数(Intrinsic Mode Functions,IMFs)进行信号重构,能够得到接近真实的响应时程信号.该方法引入到实际桥梁结构的地震响应时程分析中,成功地解决了剔除结构地震响应位移漂移的难题.试算和实际计算效果表明此种方法效果良好,因而在结构地震响应分析中具有重要实用价值.     

基于变分模态分解的模态参数识别研究

基于变分模态分解(VMD),提出一种新的结构模态参数识别方法:①通过自由振动试验或通过随机减量法从结构随机振动响应中获取结构自由衰减振动响应(FDR),并采用VMD方法从FDR中分解出结构模态响应;②通过经验包络法(EE)计算模态响应瞬时频率,并通过一种该研究新提出的方法计算模态响应瞬时阻尼比;③结构的模态振型向量可通过处理所有可用传感器得到的模态响应得到。瞬时模态频率和模态阻尼比可以捕获模态参数的任何瞬态变化。通过一系列数值和试验算例验证了该方法的有效性,突出了该方法的优势,并对该方法抗噪声性能进行了研究。研究表明,该方法适用于线性和非线性系统,且可用于识别具有密集模态和瞬态特性的系统。     

曼型干式煤气柜动力特性分析及风振响应主要贡献模态识别

曼型干式煤气柜不同于一般空间结构,其动力特性十分复杂,作为研究其频域内风振响应的基础,首先通过建立精细化有限元模型研究其在不同工况下的动力特性;其次,分别计算背景、共振响应振型能量参与系数,并按降序排列,选取结构风振响应的主要模态;最后,通过选取模态进行频域计算并与传统频域计算方法(完全二次振型叠加,CQC法)对比。结果表明:结构自振频率分布密集;动力特性受活塞位置及内部气压影响较大;背景、共振响应振型能量参与系数能准确反映各阶模态能量对响应总能量的贡献程度;通过振型能量参与系数法确定的主要模态进行频域分析具有计算效率高,计算精度可控的优点。     

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

采用经过嵌入维数改进的动力学模态分解(DMD)方法和本征正交分解(POD)方法对大跨度平屋面的随机风压场进行分析。结果表明:利用Takens嵌入定理来增加原始快照矩阵的空间维数,能够挖掘风洞试验数据集中隐藏的模糊动态特征;POD和DMD的模态分布均能够反映脉动压力场典型漩涡的主要特征,但POD的每个模态包含多个频率的信息,这在一定程度上让POD的模态成为多个频率段脉动的耦合,而DMD方法分解模态是单频模态并且可以得到每个模态的稳定性。相同比例的POD模态所占的能量比例大于DMD模态结果,但当使用相同比例的模态进行脉动风压场重构时,DMD方法比POD方法的重构结果更能够描述和契合原始脉动压力场的局部特征,这是由于DMD方法是直接对压力场进行重建,而POD方法主要是重建能量场,因此在揭示随机风压场时空演化特征,DMD方法更具优势。     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中共振分量的确定方法研究

大跨度屋盖结构等效静力风荷载中的共振分量确定,包括对结构共振响应的准确计算以及如何将其等效为静力风荷载这两个主要问题。针对第一个问题,提出Ritz-POD法分析该类结构的风振响应,以解决在结构风振响应分析中存在的多振型参与结构振动且高阶振型对结构风振响应贡献可能较大这一问题;针对第二个问题,将等效静力风荷载的共振分量表示为各Ritz向量的等效惯性力的组合。对一鞍型索网结构的等效静力风荷载分布情况进行了分析;结果表明,能够有效地解决大跨度屋盖结构等效静力风荷载的确定问题。     

基于多元EMD-AM/FM分解的多点非平稳雷暴风速模拟

雷暴风对建筑物和输电线塔等结构具有很大的破坏性。为了准确估算结构的动力响应,获得可靠的风速样本至关重要。该文结合多元经验模态分解（MEMD）,调频函数/调幅函数（AM/FM）分解和本征正交分解（POD）建立了基于时频分析的非平稳多点风速的模拟方法。第一,采用MEMD分解多点风速,产生固有模态函数;第二,采用AM/FM分解计算各点的固有模态函数的瞬时频率和瞬时幅值;第三,利用POD对瞬时频率解耦;第四,将瞬时幅值和解耦后的瞬时频率用于重构多点非平稳风速。实测多点雷暴风的模拟结果表明: MEMD-AM/FM分解-POD方法能满意地模拟多点非平稳雷暴风速。     

具有桥塔风效应的桥梁风场数值模拟

将特征正交分解型谱表示法运用于模拟具有桥塔风效应的桥梁风场中。首先介绍桥塔风效应和桥梁风场的概率描述,然后结合模态截断技术,介绍特征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）型谱表示法,该方法是对常用的原型谱表示法的继承和提高,且物理概念更加清晰。通过引入对风速谱矩阵的显式预分解,推导模拟具有桥塔风效应的桥梁风场的简化计算公式,将对付目标功率谱矩阵的特征值分解运算简化为对实矩阵的运算。该方法可用FFT加速,相对于原有的模拟方法具有较高的计算效率。最后,以模拟龙潭河特大桥施工最大双悬臂阶段的脉动风速场为算例,解释了脉动风速过程特征正交分解模态的物理意义,说明该方法的可靠性。在算例中,观察到复杂相关结构下,特征正交分解发生振型交换的现象,并分析其原因。     

POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用

应用本征正交分解(POD)技术对双坡屋盖的随机风压场进行了预测。结合风洞试验同步测量的风压数据,采用了两种方案预测屋盖上未布测点位置的风压系数时间序列。预测出数据的统计特性(均值、均方根值及极值)和功率谱等与实测数据进行了比较,发现所预测风压系数时间序列的均值和均方根值精度较好。虽然预测的风压极值大部分被低估,但是预测数据的功率谱在低频段与实测数据相吻合。因此将预测的数据应用于结构的风致响应计算是可行的。     

POD方法在重建双坡屋盖风压场中的应用

讨论了本征正交分解(POD)方法在重建双坡屋盖随机风压场上的应用。利用风洞试验同步测量了屋盖上非均匀分布的测压点的风压时间序列,借助相关矩阵和协方差矩阵本征值问题分析,分别对包含均值分量的随机风压场和不含均值分量的脉动风压场进行了重建。通过在时域和频域上与实测数据的对比分析说明了POD方法在重建双坡屋盖随机风压场中的有效性,总结了屋盖上不同区域脉动风压场重建的规律,并指出仅使用相关矩阵的第一阶本征模态就可以很好地重建屋盖的平均风压场。     

模型表面粗糙度对冷却塔风荷载的影响

采用两种粗糙条数量和五种粗糙条厚度分析模型表面粗糙度对冷却塔风荷载的影响,应用本征正交分解法(POD)进行风压点的加密和重构,分析不同粗糙度下冷却塔的风压分布和总体受力,并将试验结果与规范、以往的实测和风洞试验结果进行比较.研究发现:冷却塔模型的表面越光滑,喉部附近B层测点最人负风压的绝对值越大;当模型表面粗糙条数量增...     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

大型空间桁架结构多目标等效静力风荷载

空间桁架体系不仅具有典型大跨屋盖结构风致响应多模态参与性及特征响应多样性等特点,其在脉动风荷载激励下结构不同部位的风致响应还存在有大量的正负号交替现象。针对以上特性,在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上,提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。在该方法中,不仅采用本征正交分解 (POD)法基本原理有效解决了多目标脉动响应极值间的正负号组合问题,寻找出一种在一定程度上最为可能的目标响应分布形式;同时以保证结构关键位置的风致响应为目标,提出了多目标等效风荷载的精确求解方式。最后以杭州新火车东站站台屋盖结构为工程实例,证明了采用该方法得到的多目标等效风荷载不仅能够精确保证关键部位响应与实际结果高度一致,其他非关键部位结果也有一定的精确性。