开放系统悬臂类结构的动力特性计算方法

结构总是修建在一定的场地而形成土-结构相互作用的开放系统。为解决开放体系下悬臂类结构的自振频率、振型和考虑辐射阻尼下模态阻尼比的计算问题,提出了脉冲荷载响应模态分析法。该方法采用直接有限元法建立土-结构相互作用有限元模型,对结构施加脉冲荷载得到结构动力反应后,由模态识别方法计算结构的动力特性。随后,以一个悬臂类五层框架结构为例研究了计算动力特性随土体计算范围变化的规律和脉冲荷载激励点位置对计算结果的影响。在此基础上,讨论了土体材料阻尼对模态阻尼比的影响,并与集总参数模型和直接模态分析法进行对比,说明不同方法的计算精度。计算结果表明,随着土域计算范围的增加,脉冲荷载响应模态分析法所得的动力特性将逐渐收敛到精确解;当土体计算范围大于结构基频所对应的波长的2倍时,结构自振频率的误差小于1%,模态阻尼比的误差小于5%;以非模态节点作为激励点都可以得到比较精确的结果;三参数集总参数模型所得模态阻尼比存在显著误差,直接模态分析法所得模型的基频随土域范围增大而趋向于零;相比于辐射阻尼,土体材料阻尼对结构的各阶模态阻尼比的影响较小。     

基础提离对核电站结构地震响应的影响分析

当地震足够大时结构基础将会与下卧地基土发生分离,即所谓的基础提离现象。但该现象在常规的土-结构相互用(SSI)的地震响应分析中常常被忽视。核电站结构(NPP)由于特殊性,其设计地震强度一般较大,因而有可能发生基础提离现象。基于某简化核电站结构,利用大型通用软件ANSYS的接触面功能和弹簧单元,分别进行了四种工况的计算:1基础固定;2考虑基础提离,不考虑土-结构动力相互作用效应;3不考虑基础提离,但考虑土-结构动力相互作用效应;4同时考虑基础分离和土-结构动力相互作用效应。通过对比分析,确定合适的土-结构动力相互作用计算方法以及基础提离对核电站结构地震响应的影响。计算分析表明:1土-结构相互作用对核电站结构地震响应的影响不容忽视;2基础提离主要影响核电站结构竖向地震响应,而对结构水平向地震响应的影响较小。本文研究成果可为核电站结构的抗震分析提供参考。     

高层或高耸结构考虑土—结构相互作用的地震反应分析

本文提出了一个变曲振动连续体模型,将地基土、基础、上部结构视为一种性质分段均匀的连续体,将地基土的动力特性、阻抗直接引入动力方程中,即可体现结构的变化、土的分层、又简化了计算。算例结构表明此法适用于高层或高耸结构考虑土－结构相互作用的地震反应分析。     

部分排水条件下土—结构动力相互作用

本文研究土－结构相互作用体系地震反应的分析方法，考虑含水饱和土地基，并将其极为固液两相体，用Ｂｉｏｔ动力固结理论进行分析，对整个土－结构相互作用体系采用有限元计算模型，对有限元方程的求解，建议采用一种无条件稳定的交叉求解法，文中对动力相互作用问题的地震输入及求解方法的各主要方面进行了讨论，并用数值算例展示了解法的有效性及相互作用的影响。     

群桩基础对结构地震响应主动变刚度(AVS)控制的影响

建立了群桩基础上结构系统的主动变刚度（AVS）控制地地震反应分析方程，讨论了土－群桩基础－结构动力相互作用对主动变刚度控制减震效率的影响。数值计算结果表明，土层越软，AVS对桩基础上结构地震反应的控制效果越差，因此，对于软土地基上的结构实施AVS控制时，在进行控制设计是一定要考虑土－结构动力相互作用。     

考虑扭转耦合的土-结构动力响应的一种简化分析法

提出了一个利用模态分解和傅里叶变换求解不对称结构扭转耦合动力响应的土-结构相互作用分析的实用简化方法，从而不仅使矩阵计算大大简化，计算结果具有较高准确性。数值参数分析表明当地基土为软土，尤其是地基土剪切波波速低于1000m／s时，基础水平位移和摇摆幅度分别随结构质量与基础质量之比和结构高度与回转半径之比的增加而显著增大。对于地基土不是硬土，而且具有一定的高度和刚度偏心距的结构，必须考虑扭转耦合的土一结构动力相互作用的影响。     

土-结构相互作用下网架结构动力性能研究

采用整体有限元法分析土-结构动力相互作用(SSDI)下网架的动力性能。以大型有限元软件ABAQUS为平台,结合FORTRAN程序实现粘弹性动力人工边界精确施加、土体自重应力平衡及粘弹性边界条件下地震动输入,并通过算例验证有限元计算过程的有效性与合理性;建立地基土-支承体系-网架屋盖相互作用的三维整体模型,分析SSDI对网架结构动力性能影响。研究表明,SSDI使网架结构自振周期较刚性地基下延长且地基土越软周期越长,网架结构自振频率随地基土变软更密集;SSDI使基础底面峰值加速度较自由场地表峰值加速度增大5%~30%,且地基土越软增大幅度越大;SSDI效应可增大网架结构节点加速度及节点水平相对位移,且使网架结构节点水平相对位移随地基土的变软逐渐增大。     

多层框架结构考虑土—结构相互作用的地震反应分析

本文提出了一个剪切振动连续体模型,将地基土、基础、上部结构视为一种性质分段均匀仅考虑剪切振动的连续体,将地基土的动力特性、阻抗直接引入动力方程中,利用质量、刚度、及阻尼对振型函数的正交性对动力方程解藕,以简化计算。算例结果显示此模型适用于以切振动为主的多层框架结构考虑土－结构相互作用的地震反应分析。     

桩—土—结构相互作用体系承台水平地震响应分析

本文基于结构的原理，运用矩阵传递法，分析了在桩尖垂直入射剪切波下，桩－土－结构相互作用体系桩基承台的动力响应。作为例子分析了桩基及土层性质改变对承台动力响应的影响。     

土-相邻结构相互作用子结构振动台试验研究

以土-相邻结构体系和土-单体结构体系为研究对象,依托振动台并融合子结构试验技术,通过在试验中引入分支模态方法,利用多子结构间的相互作用耦合项把地基子结构的数值计算和上部模型结构的物理试验联系起来协同分析,实现了考虑土-相邻结构相互作用(SASI)效应和土-结构相互作用(SSI)效应的子结构振动台试验。以由两个相同四层钢框架结构与地基土组成的土-相邻结构体系为例,讨论了模型结构的加速度放大系数在各地震动作用下的变化规律;对比分析了土-单体结构体系和土-相邻结构体系中模型结构的顶层位移、加速度和底部剪力,研究了SASI效应对结构动力反应的影响规律。研究表明:与土-单体结构体系相比,SASI效应使结构的地震响应峰值呈现出不同程度的下降趋势,其影响程度和地震波的频谱成分组成以及体系自身的动力特性有关。     

弯振复合型超声驱动器振动特性研究

为了避免模态复合型超声驱动器中普遍存在的频率简并问题,作者在前期研究中提出了一种新型的弯振复合型超声驱动器。该驱动器采用压电金属复合梁两个正交弯振模态的复合在两个驱动足处激励出椭圆轨迹振动。本文对该驱动器的振动特性进行深入研究,旨在获得驱动区域质点的真实运动轨迹。首先,建立了矩形截面梁在弯振复合模态下末端区域质点振动轨迹的数学模型;然后,借助有限元瞬态分析,对驱动足振动轨迹进行仿真,实现对所建立振动轨迹数学模型的验证。振动轨迹方程和仿真结果均表明：两个驱动足表面质点振动轨迹均为三维的椭圆,垂直于驱动器轴线的平面内的椭圆振动更适合用于致动输出。最后,分析了该驱动器存在的不足之处,提出了一种改进方案,采用对称设置压电陶瓷片实现两个驱动足振动特性的一致;通过瞬态分析在两个驱动足处得到了一致的振动轨迹,改进的样机实现了输出特性的显著提高。     

典型钝体断面大攻角下的颤振自激力特性

基于三自由度强迫振动装置,真实模拟了实际结构大攻角下的弯曲振动形态,并以矩形和H型截面为研究对象,对比分析了竖向振动方式对H1*、H4*、A1*、A4*等4个气动导数的影响。试验研究发现,弯曲振动形态对H1*、H4*、A1*三个气动导数存在明显影响,对导数A4*影响较小,且对气动导数的影响程度与风攻角和截面形式有关;不过,振动形态不影响各导数随无量纲风速的变化规律。分析表明,大攻角下采取与实际结构一致的竖弯振动方式来识别气动导数是完全必要的。     

矩阵摄动法在振动工程中的若干应用

本文主要讨论矩阵摄动法在结构动力优化设计中的模态灵敏度分析,以及Guyan缩减的精度估计等方面的应用。     

Theoretical analysis and experimental measurement for resonant vibration of piezoceramic circular plates

Based on the electroelastic theory for piezoelectric plates, the vibration characteristics of piezoceramic disks with free-boundary conditions are investigated in this work by theoretical analysis, numerical simulation, and experimental measurement. The resonance of thin piezoceramic disks is classified into three types of vibration modes: transverse, tangential, and radial extensional modes. All of these modes are investigated in detail. Two optical techniques, amplitude-fluctuation electronic speckle pattern interferometry (AF-ESPI) and laser Doppler vibrometer (LDV), are used to validate the theoretical analysis. Because the clear fringe patterns are shown only at resonant frequencies, both the resonant frequencies and the corresponding mode shapes are obtained experimentally at the same time by the proposed AF-ESPI method. Good quality of the interferometric fringe patterns for both the transverse and extensional vibration mode shapes are demonstrated. The resonant frequencies of the piezoceramic disk also are measured by the conventional impedance analysis. Both theoretical and experimental results indicate that the transverse and tangential vibration modes cannot be measured by the impedance analysis, and only the resonant frequencies of extensional vibration modes can be obtained. Numerical calculations based on the finite element method also are performed, and the results are compared with the theoretical analysis and experimental measurements. It is shown that the finite element method (FEM) calculations and the experimental results agree fairly well for the resonant frequencies and mode shapes. The resonant frequencies and mode shapes predicted by theoretical analysis and calculated by finite element method are in good agreement, and the difference of resonant frequencies for both results with the thickness-to-diameter (h/D) ratios, ranging from 0.01 to 0.1, are presented.     

修改的MPA法用于连续刚构桥的抗震性能分析

弹塑性时程分析方法是计算桥梁结构地震响应较为严格的分析方法,但该方法工作量大,计算复杂,不利于工程师进行结构设计。采用基于模态的Pushover分析方法(MPA法),对某高墩连续刚构桥梁进行抗震性能分析,根据建筑结构设计规范,要求振型参与质量之和需达到90%。通过理论分析,提出以振型贡献率提取振型参与计算的加载模式,剔除振型贡献参与质量比低于1%的振型,对高墩大跨连续刚构桥进行了推覆分析。这样既避免了全部模态参与计算的繁琐,又考虑了高阶振型的影响,并与弹塑性时程响应结果进行了对比。计算结果表明,修改的MPA法(MMPA法)应用于高墩连续刚构桥的抗震性能分析是可行的。     

Theoretical, numerical, and experimental investigation on resonant vibrations of piezoceramic annular disks

In this study, vibration characteristics of thin piezoceramic annular disks with stress-free boundary conditions are investigated by theoretical analysis, numerical simulation, and experimental measurement. The nonaxisymmetric, out-of-plane (transverse), and axisymmetric in-plane (tangential and radial extensional) vibration modes are discussed in detail in terms of resonant frequencies, mode shapes, and electrical currents. Two optical techniques, amplitude-fluctuation electronic speckle pattern interferometry (AF-ESPI) and laser Doppler vibrometer (LDV), as well as the electrical impedance measurement are used to validate the analytical results. Both theoretical and experimental results indicate that the transverse and tangential vibration modes cannot be determined by the impedance analysis; hence, only resonant frequencies of extensional vibration modes are presented from the impedance analyzer. The LDV system is used to measure the resonant frequencies of transverse vibrations. However, both the transverse and extensional vibration modes and resonant frequencies of piezoceramic annular disks are obtained by the AF-ESPI method, and the interferometric fringes are produced instantly by a video recording system. Numerical results obtained by finite-element calculations are compared with those from theoretical analysis and experimental measurements. It is shown that the theoretical predictions of resonant frequencies and the corresponding mode shapes agree well with the experimental results. Good agreement between the predicted and measured electrical impedance also is found. The dependence of resonant frequencies and dynamic electromechanical coupling coefficients on the inner-to-outer radius ratio also is analyzed and discussed in this study.     

局部约束结构振动的模态研究

制动盘/摩擦块系统的制动过程属于局部接触振动问题。摩擦块局部接触(约束)会对系统模态及固有频率造成影响,进而影响制动噪声的产生。将刹车盘简化为一维循环梁结构,并建立了在摩擦块作用下的运动方程。首先计算无接触时梁自由振动的模态(参考模态)。然后用线性弹簧代替局部接触,列写出连续条件并计算模态,得到所谓局部非连续基函数。将局部非连续基函数与参考模态进行正交化处理后,作为参考模态的补充,用于计算系统响应。与差分法结果比较表明,与传统模态方法相比,局部非连续基函数法更为准确。研究发现局部接触会抑制循环结构振动的对称性,导致正弦或余弦模态消失,以及刚度非线性和摩擦作用,会使振动是波动型的。该工作为基于局部非连续基函数法研究摩擦结构不稳定振动机理打下了基础。     

光盘振动模态的电视激光全息测量与分析

采用激光全息(TV—holography)振动测试技术测量和分析了CD光盘的固有频率、模态振型以及模态分布情况。采用非接触声激励和非接触式激光全息摄像精确地测量出了CD光盘从零节圆到三节圆五节径的振动模态，最高模态频率达6300Hz。分析了节径振型和节圆振型间的关系和出现规律。结果表明：光盘的振型节线是由中心对称和轴对称的节径和节圆组成的，它们对应的振型也是中心对称和轴对称的；光盘的各阶固有频率是按一定的顺序排列的，节径和节圆的出现是有规律的，文中给出了表示这些规律的表达式。     

含穿孔损伤复合材料桨叶结构的振动特性

现代直升机旋翼桨叶通常需要进行损伤容限分析与设计,损伤对桨叶结构振动特性的影响是其中的重要内容之一。利用有限元法对选定的直升机复合材料桨叶翼段进行了穿孔损伤后的振动特性分析,并与无损伤的翼段进行了比较,得到了振动特性与穿孔大小及其位置的关系。结果表明:旋转翼段的振动模态与静态翼段相同,但各阶频率有所提高;穿孔越大对翼段造成的损伤越大,但穿孔损伤没有改变翼段的振动模态,对翼段的振动频率影响也比较小;不同阶次的振动频率随穿孔的位置变化趋势各不相同,根部与前缘的穿孔损伤对翼段频率的影响较大。     

水中弹性体的特征频率与声特性

对弹性壳体的特征频率与声散射、声辐射的谐振特性进行了对比研究。应用最小势能原理建立弹性体的有限元方程,并结合边界积分方程得到水中弹性体特征方程,采用Lanczos方法直接求解特征频率并进行固有振动模态分析。通过几种弹性壳体的特征频率与声特性的对比,验证了激励源频率在特征频率处会产生较强的谐振散射和谐振辐射,谐振对声特性影响的大小则与激励方式有关。具有附加结构的复杂线形长壳体的固有振动模态表明,低阶振动模态主要是主体部分径向和轴向振动,而附加结构对振动影响较小,但会使前几阶的特征频率偏移;高阶固有振动模态的主体和附加部分都产生形变,但主体的轴向振动是主要特征。