CFRP索斜拉桥面内自由振动的多索梁模型及模态分析

为研究斜拉桥中索与梁、索与索之间的耦合振动问题,建立了斜拉桥的单梁-多索力学模型.考虑索的初始垂度引起的几何非线性因素的影响,将多索梁模型分段处理,基于索、梁经典的面内振动的微分方程,通过索、梁连接处的动态平衡条件,建立多索梁模型面内振动理论.以双索梁为例,应用分离变量法,结合边界条件,求解双索斜拉梁模型平面内自由振动的特征值问题.同时,建立双索梁的有限元模型,有限元所得结果与本文理论研究吻合良好.最后对CFRP索梁模型的各项相关重要参数进行分析,并将本文理论与课题组前期成果进行对比分析.研究表明,CFRP索能极大改善双索梁模型的基本动力学性能.增大拉索轴向刚度能明显提高模型的低阶频率,而梁弯曲刚度的提高对其高阶频率的提高比较明显.     

多索-单梁耦合结构的动力学建模及非线性特性研究

大跨度斜拉桥通常采用密索体系,拉索的振动频率非常接近,同时拉索之间也可能存在倍频关系.因此,可能存在索与索之间的相互耦合振动.索是斜拉桥的重要承重构件,对多索-单梁的动力学特性进行研究至关重要.本文考虑到索梁、索塔及塔梁的边界条件和连接点处的连接条件,基于Hamilton变分原理,建立了多索-单梁结构的运动微分方程.经过无量纲化处理,根据分离变量法,得到了其降维约化后的运动微分方程.本文取相邻的两根索考虑两种工况模型,对不同工况下的双索-单梁耦合结构的动力学行为进行了参数分析.研究发现,不同于以往资料中的“频率转向”现象,在本文中,两条频率曲线在频率值接近处,并未迅速分离,而是在相对一小段参数范围内继续保持平行且相互靠近,随后再迅速分离.最后,研究了双索-单梁耦合结构的非线性特性,分别对结构进行了两自由度和单自由度离散,研究发现,结构单模态假设在非共振区域能反映结构的非线性特性,但是在共振区域,结构的非线性特性会发生跳跃变化,应用2自由度模态理论进行研究更为准确.     

漂浮式斜拉桥全局模态对CFRP索的敏感性研究

斜拉桥复杂动力学问题中的一个关键问题是局部模态频率与全局模态频率成倍数匹配关系时可能导致的斜拉索大幅振动.本文针对这个问题,基于传递矩阵法,研究CFRP索对斜拉桥全局模态频率的敏感性.将斜拉桥的桥面梁和桥塔分别视为多离散弹性支承欧拉伯努利梁,建立其动力学控制微分方程,基于传递矩阵法对其特征频率进行求解.以长沙某独塔斜拉桥作为算例,对结构主要构件:斜拉索、塔和桥面梁的刚度变化对全局模态频率变化的敏感性问题进行了分析.结果表明,桥面梁和桥塔全局模态频率对斜拉索刚度变化非常敏感,并且用CFRP索替换钢质拉索可能避开拉索局部模态与斜拉桥全局模态的倍频关系,从而控制斜拉索的大幅振动.     

索-梁耦合结构的分岔反控制研究

斜拉索是斜拉桥主要的支撑单元,是斜拉桥的重要组成部分.本文研究了控制增益参数G对索-梁耦合结构的振动控制.利用文献已得到的索-梁耦合结构的面内非线性运动微分方程,根据离散法,对其进行分离变量法处理,进而得到索-梁耦合结构的单自由度和两自由度模态方程.不同于以往的研究,本文假设索(梁)的左支撑点即坐标原点处是可以沿纵向方向自由移动的,则索的动态应变会发生改变,进而改变其模态方程一次项系数,通过这一规律可以在理论上转换得到一套状态控制反馈准则,并根据Floquet稳定性理论,将上述方程转换为Hill方程形式.然后通过摄动法,得到运动微分方程的稳定解.最后对索-梁耦合结构的单自由度和两自由度系统进行了数值分析计算,通过改变反馈控制增益系数,可以实现系统的反控制.而设计者可以通过这些复杂现象的参数变化范围设计选择合适的参数,尽量使得系统能在工程师所能控制的安全范围内振动.这种控制策略保持了系统的平衡,并且可以应用于在期望位置处具有最优稳定性的退化倍周期分岔.研究表示,无论结构是单自由度还是两自由度系统,反馈控制增益系数的变化能明显有效地改变系统的共振情形下的幅值.通过适当调整控制参数,能在预先...     

索梁结构中抗弯刚度斜拉索的非线性响应

研究索梁结构中考虑抗弯刚度斜拉索的非线性响应.从斜拉桥中简化出索梁组合结构力学模型,考虑抗弯刚度、几何非线性及垂度等因素,忽略索梁纵向振动,基于Hamilton变分原理,获得了索梁结构耦合非线性振动偏微分方程组.首先运用Galerkin方法离散该方程组,然后利用多尺度法对该方程组进行摄动分析.以某索梁结构为例,分析了索主要参数对抗弯刚度斜拉索面内基频的影响,探讨了抗弯刚度对斜拉索幅频响应、激频响应的影响,数值模拟获得了索梁结构的时程曲线.结果表明,考虑抗弯刚度后,索长对斜拉索面内基频的影响较大,对于短索,应考虑抗弯刚度;含抗弯刚度斜拉索的幅频响应曲线整体向右平移,激频响应曲线向左移,移动的幅度取决于抗弯刚度的大小;梁振动将对索振动产生显著影响,索振动对梁的振动影响很小.     

圆弧拱的面内非线性动力学分析

对圆弧拱面内自由振动的频率和非线性内共振现象进行了研究.通过假设满足位移边界条件的振型函数对圆弧拱的面内非线性方程进行Galerkin一阶模态截断,先对派生系统的线性频率进行求解,就不同参数对频率的影响进行分析;然后利用多尺度法对离散模型进行求解.结果表明:截面高度对径向振动频率有显著影响,但是对切向振动频率影响很小;另外,就本文方程而言,可能存在三种内共振形式,但内共振现象的产生与否还决定于圆弧拱的边界条件.     

基础激励下桥梁斜拉索的非线性振动

在考虑拉索垂度的情况下建立了深圳湾公路大桥的动力学模型，利用有限元软件模拟了地震、风、车辆等荷载作用于桥梁结构时桥面及桥塔索锚固点的位移响应，以及全桥整体动力特性和索连接点的振动解，从而真实反映出基础激励对索的初始扰动，进而研究索在最不利荷载作用情况下谐波共振和参数振动的特性，并在此基础上分析了激励频率与拉索固有频率比的匹配关系，得出了激励幅值、初始索力、模态阻尼比、拉索倾角等参数对拉索非线性振动的影响．     

索受外激励作用下索拱结构非线性动力学分析

研究索拱结构中索受外激励作用下索拱之间非线性动力学问题．利用已建立的索拱结构非线性动力学耦合面内运动微分方程,采用Galerkin方法把索拱结构的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动得到索主共振情况下的平均方程,研究在索受到外激励作用下索振动对拱的振动产生的影响,同时对索拱结构内共振时的稳定、分叉及混沌情况进行了分析．结果表明：索某阶频率与拱某阶频率接近时可能出现内共振现象,能量在索拱之间相互传递,原本静止的拱也可能出现共振现象,共振频域区间内索拱振动将出现跳跃、分叉及混沌等复杂的非线性动力学行为．     

盘式制动系统模态实验探究

本文研究盘式制动系统模态特性,通过实验测试和有限元分析得到制动盘自由和耦合振动模态,验证对称结构振动的正弦和余弦模态假设,提供环形梁简化模型的分析依据,比较摩擦块与制动盘耦合振动和制动盘自由振动的异同.动态测试得到耦合系统的位移响应.     

1:1内共振环形桁架天线的稳定性分析

复杂的太空环境易导致环形桁架天线产生大幅非线性振动,严重影响天线的稳定性和结构性能.在大幅的非线性振动中不同模态之间的能量可以相互传递和转换,将引起天线产生内振动.因此内共振在天线的大幅振动中起着重要的作用.本文所研究的环形桁架天线被简化成等效圆柱壳模型,建立其非线性动力学方程.根据有限元模态分析,得出环形桁架天线第四阶模态和第五阶模态的振动频率接近1:1.所以本文利用理论分析和数值计算研究1:1内共振情形下环形桁架天线的局部动力学性质.即系统受到小扰动后平衡点的稳定性.详细研究了两种不同形式下的平衡点的稳定性,即系统特征根为双零和两个负数时的稳定性以及系统特征根为双零和一对纯虚复数时的稳定性.利用中心流形理论、非线性变换、Routh-Hurwitz判据得到平衡点的稳定区域、不稳定区域和临界分岔曲线.最后通过数值模拟验证理论分析.     

悬索桥主缆初应力对桥梁动力特性的影响

为掌握主缆初应力对桥梁动力特性的影响,以悬索桥为例,采用静力非线性分析方法计算应力变化过程中悬索桥的跨中挠度、缆索轴力及加劲梁的轴力变化;将得到的内力作为结构的预加应力进行有预应力的模态分析. 应用ANSYS软件进行分析,其中有限元建模时采用4种单元类型:空间梁单元BEAM4用于模拟加劲梁和塔;空间杆单元LINK10用于模拟主缆及吊杆;通过设定BEAM4和LINK10单元初应变进行有预应力的模态分析;采用MASS21单元模拟横隔板、吊杆锚固装置和桥面上的栏杆,并分别考虑质量和质量惯性矩的作用. 分析表明,悬索桥主梁竖弯振动频率受主缆初应力的影响较大,而侧弯振动频率和扭转振动频率受此影响较小. 该结果为同类桥梁的动力特性分析提供参考.     

单侧主缆刚度损伤悬索桥的模态分析及1∶1内共振

悬索桥缆索在长期服役状态下损伤很难避免,单侧主缆刚度损伤会使系统出现主梁竖弯与扭转自由度间的耦合,这可能会进一步对悬索桥的模态和大振幅下的非线性响应造成影响.为此,建立了考虑单侧主缆刚度受损的七自由度悬索桥横截面模型,模态分析发现单侧主缆刚度损伤会使得系统前两阶固有频率曲线由交叉变为跃迁,导致两个本身相互独立的模态发生耦合.以此为基础,考虑悬索桥主缆刚度有损伤和未损伤两种工况,运用拓展的增量谐波平衡法(EIHB)计算系统在内共振条件下的非线性振动.研究结果表明：单侧主缆刚度有损伤的悬索桥在外部简谐激励下发生1:1内共振,系统能量表现出明显的转移现象;竖向和扭转简谐激励下,有损伤的悬索桥较未损伤工况响应幅值有所减小,但出现了两个共振响应峰值,对激励频率更为敏感.数值结果与利用Runge-Kutta法计算得到的结果吻合一致,验证了EIHB法的准确性.     

移动荷载作用下非线性基础梁内共振分析

研究了有限长弹性基础上梁在移动载荷作用下的内共振响应.建立了移动集中力激励的非线性粘弹性基础支承的有限长Euler-Bernoulli梁模型,并对非线性偏微分方程进行离散,在第三阶固有频率与第一阶固有频率成三倍关系时,采用多尺度方法导出了3:1内共振的可解性条件,研究了有无移动载荷时基础阻尼和非线性刚度对梁内共振条件下自由振动响应和受迫振动响应的影响规律.在此基础上,应用Lyapunov第一方法确定了系统的稳定性条件.     

大型空间环型天线结构动力学分析

本文对大型空间环型天线结构振动的基本形式进行研究,选择边界条件为伸展臂与桁架结构连接面的固定约束.网格划分采用四面体单元与六面体单元结合的方法,杆件体结构规则采用六面体单元格,刚性连接处由于结构复杂采用四面体单元格.前四阶模态分析结果表明天线存在扭转振动、弯曲振动、横摇振动、呼吸振动等四种基本振动形式.研究了材料参数和边界条件的选取对振动模态和固有频率的影响.所得结果能为结构非线性动力学分析中模态函数选取和共振形式的分析提供重要参考.施加简谐激励研究大型空间环型天线稳态受迫振动响应,该结果对于预测结构的动力学特性以及避免共振具有重要的指导意义.     

多跨下承式拱桥面内全局动力学理论与自由振动研究

为弥补高维工程结构有限元分析对结构参数优化设计等的局限,本文基于欧拉伯努利梁理论与传递矩阵法,研究大跨度拱桥面内自由振动问题.首先,基于多跨拱桥的刚度分析,建立系统的全局动力学模型.其次,基于传递矩阵法建立系统的全局动力学理论,最后,以一座四跨下承式拱桥的平面力学模型,求解其面内自由振动时的固有频率与振型,并将所得结果与用同样参数建模的有限元分析结果对比,证明本文所建理论对求解该类问题的有效性与精确性.此外,通过整桥各跨矢跨比、吊杆截面面积、拱肋惯性矩等的多组参数组合分析了该系统面内自振频率的分布规律.结果表明：随着拱桥矢高增大,系统固有频率减小,因拱桥质量的快速增加,对整桥面内刚度影响显著;增大吊杆截面面积可在一定程度内增大拱桥的面内刚度,导致系统频率在一定范围内增大,且观察到Veering现象.     

工程结构多刚度尺度分析与模态理论

当前工程结构设计大多基于成熟的线性振动理论,未综合考虑非线性、多尺度等特性的影响,导致各类工程振动问题频发,减振措施失效.首先,本文以质量弹簧系统为例,对系统刚度比和质量比等关键参数开展分析,指出刚度比对系统模态具有显著影响;再者,简述大跨桥梁动力学研究现状,从系统全局动力学角度,根据非线性动力学分析和有限元分析,提出工程结构多刚度尺度概念,分析并指出多刚度尺度耦合系统的全局模态、局部模态和混合模态基于不同刚度尺度的定义.为建立桥梁全局动力学模型和理论,桥梁非线性动力学研究奠定基础.     

应变式呼气流量传感器的有限元模型与动态特性

应变式呼气流量传感器利用应变电桥对人的呼气流量进行测量。为实现对变化呼气流量的正确测量,该传感器在工作频带范围内必须满足无失真测量条件。用有限元分析软件ANSYS建立了该传感器的有限元模型。对该模型进行模态分析得出了它的前四阶振型和固有频率。对该模型进行谐响应分析,得到了该传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线。通过分析这些仿真结果得出了该传感器在工作频带范围内符合无失真测量的条件,能对人的呼气流量进行正确的测量。