桅杆在自然风中生命链研究：第三部分 桅杆结构动力可靠性分析

本文系桅杆在自然风中生命链研究的第三部分,主要研究桅杆在非零均值随激励作用下的动力可靠性。文中依据由Ｉｔｏ微分方程得到的ＦＰＫ方程、采用结构总响应统计量分析方法,直接导出在平均风和脉动风共同作用下桅杆顶层总体称的峰值概率密度函数,为直接处理类似非零均值激励总响应的峰值概率密度函数及动力可靠性分析提供一种可行途径。     

桅杆的非线性随机研究

通过引入微小白噪声摄动 ,将桅杆的非线性动力方程转变成 Ito随机微分方程的形式 ,采用路径积分推导出该噪声模型响应概率密度函数的形式解 ,根据该函数的分布特征和平均 Poincaré图研究桅杆响应特性受激励参数的影响和混沌现象。算例分析表明 :桅杆响应特性依赖于激励的频率及其强度 ,而与激励方向基本无关 ;共振频率附近激励强度的增长将导致桅杆出现混沌运动 ,结构在水平面内各方向上产生大幅振荡 ,这是造成结构疲劳损伤累积的重要起因。     

近海风力发电高塔波浪随机动力响应分析

基于拟层流风波生成机制建立的随机Fourier海浪模型,采用概率密度演化理论研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力响应问题,给出了结构响应概率密度函数的时间演化过程、概率密度等值线图及其均值和标准差.其中随机波浪力由线性波浪理论和M0rison公式计算.结果表明,概率密度演化方法可以获得结构波浪动力响应的时变概率密度函数和等概率密度响应轨迹.据此计算的均值及标准差与Monte Carlo计算结果吻合较好.     

桅杆风振试验研究

基于风洞模型试验的方法,对桅杆的风振响应进行了试验研究。研究表明:① 桅杆的自振频率相当密集,其风振响应亦具有明显的宽带特征;② 桅杆风振响应频谱随风速的增大由多频离散谱向连续谱转变,在大风条件下位移谱上的频率成份大量增多,振动显现出混沌特征,此时基于振型叠加法的分析结果误差较大;③ 桅杆动位移响应在风速较大时不宜采用零均值假设,但在可靠性分析中仍可采用按动位移均值平移后的Gauss分布假设;④ 桅杆横风振动主要源于顺、横风向振动间能量的转移,应通过在前两阶自振频率处增设VED或TSD装置加以控制。     

含间隙非线性的惯容橡胶复合隔振系统可靠性分析

大多数惯容系统的研究未考虑间隙非线性的影响,有研究表明,大间隙的产生对系统响应的影响不可忽略。该文建立了含间隙非线性的惯容-橡胶复合隔振系统的随机微分方程,基于随机非线性分析方法,推导了系统响应的统计矩,计算了系统响应的概率密度函数,利用首超可靠性分析理论求得了系统的失效概率,并分析了间隙对系统响应的统计特性及可靠性的影响。同时,也考虑了非平稳激励下间隙非线性对系统响应及可靠性的影响。结果表明,间隙值变大时,系统响应的统计矩变大,概率密度函数曲线快速发散,系统的失效概率迅速增加,这与确定性分析得到的结果不同,在设计隔振器时应当考虑间隙对系统动力可靠性的影响。     

复合随机振动系统的动力可靠性矩独立重要性测度及态相关参数解法

针对激励与结构参数同时存在不确定性的复合随机振动系统,由随机结构无条件动力可靠度表达式出发,利用条件概率密度函数解析变换给出衡量基本随机变量对动力可靠性影响的矩独立重要性测度指标。该指标可表征不确定性随机变量对动力可靠度响应量分布的平均影响程度,可全面反映随机变量对响应分布影响。基于状态依存参数模型,提出求解矩独立重要性测度指标的态相关参数(SDP)法。利用算例分析结构动力可靠性参数的矩独立重要性测度,并与直接Monte-Carlo法对比。所提方法可在保证计算精度同时大幅度提高计算效率,适用于分析复合随机振动系统非线性可靠性响应。     

桅杆结构随机风振的离散分析法

风致振动是桅杆结构安全性的控制因素。由于这种结构存在频谱密集的动力特性,不适合采用振型迭加法进行分析。为此本文引入一种新的频域方法计算桅杆结构随机风振响应。基于随机振动的离散分析理论,推导出白噪声激励下结构动力响应的递推公式。经过对风荷载这种有色噪声进行白噪声滤波,桅杆结构的风致振动描述为白噪声激励下的随机振动。于是离散分析理论适用,推导出桅杆结构随机风振响应的递推公式。采用线性化模型时,该方法绝对收敛。计算结果表明,当桅杆结构处于正常使用状态时,采用离散分析理论可以得到满意的精度。     

不同谱型激励下包装件动态响应研究

根据正弦扫频振动试验结果设置共振频率区域谱型相同、非共振频率区域谱型不同的两种加速度随机振动功率谱(PSD)激励。研究了非线性包装系统在3种约束、3种振动等级下,上述两种谱型激励对产品加速度响应和包装件动压力响应的影响。研究结果表明:相同约束和激励等级条件下,两种激励谱在激励相同的区域产品加速度响应PSD基本一致,包装件动压力响应PSD也基本一致;当振动强度较高时,由于阻尼影响,共振点附近小范围内两种谱型激励的响应存在一定偏差;两种谱型激励的加速度响应概率密度分布大致相同,且加速度响应的均值、均方差、偏度和峭度均比较接近;两种谱型激励下动压力峰值分布存在一定差异,谱型1的动压力峰值分布更窄、更高,但两种谱型激励下动压力响应的均值、均方差、均值穿越次数、峰值数和带宽系数均比较接近;共振区域的激励控制了整个非线性包装系统的响应。     

非平稳激励下结构随机振动时域分析法

根据线性动力系统输入与输出之间的线性关系特性,探讨非平稳随机激励下结构随机振动的时域求解方法。把结构动力方程写成状态方程形式,同时把非平稳随机激励向量离散为一系列时间截口随机向量。采用精细积分法对状态方程进行数值求解,可建立任意离散时刻结构响应关于时间截口随机向量的显式线性表达式。基于该显式表达式:一方面可以直接利用一阶矩和二阶矩的运算规律计算任意离散时刻结构响应的均值和方差;另一方面也可进一步实施蒙特卡罗数值模拟,这除了可以得到结构响应的均值和方差时程外,还可以得到结构非平稳随机响应的演化概率密度函数。所提出的方法对随机激励方式没有任何限制,适用面广,且具有计算精度高、计算效率大幅提高以及获得响应统计信息全面等优点。数值算例显示了该文方法的上述优点。     

斜拉索在轴向白噪声随机激励下的响应

建立了在考虑垂度以及拉索张力沿索长变化时拉索的参激随机微分方程,给出了在白噪声随机激励下预测拉索响应的近似理论解--用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解.并采用数值模拟方法进行验证.随后以南京长江二桥A20拉索为研究对象,采用MonteCarlo数值方法对近似理论解进行验证.最后分析了白噪声激励强度、拉索阻尼及拉索张力对响应的影响.结果表明,斜拉索在零均值随机位移激励下的响应为非零均值;在高斯白噪声激励下的一阶位移响应随激励强度的增大而增大.随拉索阻尼和张力增大而减小.     

考虑激励随机过程性的桥面行车安全可靠度分析

探讨脉动风和路面粗糙度的随机过程性对行车安全可靠度的影响,研究同时考虑平均风的随机性和脉动风的随机过程性的行车安全概率评价方法。采用经典动力可靠度理论分析随机过程性的影响。研究结果表明：侧风环境下桥面行驶汽车的支撑力响应是弱非平稳过程,可以采用经典动力可靠度理论研究行车安全可靠度。车速高时,随机过程性的影响较大;以桑塔纳为代表的小汽车受随机过程性的影响程度比箱式货车的大;随机过程性的影响程度还与动力可靠度曲线和平均风速概率密度函数的风速范围有关。     

结构动力可靠度计算的基于反应功率谱的重要抽样法

提出了受随机地震作用的结构动力可靠度计算的基于反应功率谱的重要抽样法。为了提高动力可靠度计算的效率,利用反应功率谱峰值点对应频率处输入激励幅值的变化对失效概率的影响,提出了利用反应功率谱增大输入激励幅值的方差,达到重要抽样的目的;根据随机振动理论,平稳随机反应功率谱曲线与频域内反应绝对值平方曲线的期望值是相似形,而频域内反应绝对值平方曲线的期望值可以通过Fourier 变换很方便的求出,所以也可利用频域内反应绝对值平方曲线的期望值增大输入激励幅值的方差;重要抽样密度函数可表示为幅值分量概率密度函数连乘的形式,其所采用的输入激励幅值的方差可通过少量的结构分析次数得出。通过对三自由度线性结构及十自由度随机结构的计算,表明该文算法是提高动力可靠度计算效率的有效途径,也是求解随机结构动力可靠度的有效途径。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

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。     

黏弹性隔震系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能隔震系统响应的通用解析解。对于设置支撑的实用黏弹性阻尼器做等效变换,并建立隔震结构系统的运动方程,在非扩阶空间上获得系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非正交模态叠加精确解。基于地震动的强度非平稳和频率非平稳,获得了耗能隔震结构位移、速度,阻尼器受力、受力速度,支撑位移、速度以及阻尼器位移、速度的非平稳均方响应通用解析表达式,并具体得到经典均匀与非均匀调制非平稳随机地震激励和C-P完全非平稳地震动功率谱模型的具体响应解析解。通过结构系统各响应基于该方法的频响函数与直接求解的频响函数对比验证了该方法的正确性。该分析方法的建立为设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析乃至抗震设计方法的研究提供了一套新的分析途径。     

近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

采用基于广义概率密度演化方程的极值概率密度理论,该文研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力可靠度问题。波场由基于拟层流风波生成机制的随机Fourier海浪谱及线性波浪理论模拟,确定性结构动力响应由有限元模型分析给出。结果表明:采用极值概率密度理论可以方便地计算出不同阈值水平下塔顶侧移的动力可靠度,采用经典的Poisson模型计算的动力可靠度随阈值水平的降低而误差增大。     

大跨干煤棚网壳风振时程分析和等效静风荷载研究

以某热电厂大跨干煤棚网壳工程项目为背景,对开敞干煤棚网壳结构进行了风洞测压试验。基于风洞测压试验所得的脉动风荷载时程数据,开展了大跨干煤棚网壳风振时程分析。分析了不同风向角下是否堆煤对该开敞干煤棚网壳结构风振响应的影响。研究了基于时程计算结果的大跨屋盖结构等效静风荷载计算方法,分析比较了几种常用的风振系数计算公式及其与峰值因子的关系。研究结果表明：考虑Weibull分布峰值因子的局部轴力风振系数能够用于确定合理有效的等效静力风荷载,实现大跨干煤棚网壳结构风振响应的静力等效,且便于工程应用。     

斜拉桥抖振动力可靠性分析

本文针对大跨度斜拉桥的特点,考虑了振型间的耦合效应,采用目标谱显式分争技术与动力增量平衡迭代算法分析大桥的抖振响应,在此基础上,采用首次超越破坏机制,考虑了大跨度斜拉桥抖振响应的动力可靠性问题,最后,以文中方法验算了某斜拉桥主梁的抗风动力可靠性。