参数激励下深海立管多模态耦合振动特性分析

由于浮体升沉运动影响,引起立管在水平方向上发生参数激励振动。参激振动可以引起平衡位置的不稳定性,如果系统参数组合落在不稳定区域,将导致立管振动破坏。针对简谐参数激励,建立立管横向振动方程,考虑立管内部张力沿轴线变化,立管固有频率和振型发生变化,参激振动出现模态耦合效应。采用Floquet理论分析了立管无阻尼和有阻尼时的参激稳定性,计算了临界参数激励下的动力响应。与单模态参激振动对比表明,同等阻尼下,模态耦合参激振动不稳定区域显著增大,更易发生参激共振。多模态耦合参激振动发生时,小激励也能激起大响应,特别是弯曲应力将显著增大。     

深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法

针对深海顶端张紧式立管,基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效应,根据激发力来源不同,分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Chaplin阶梯状来流涡激振动实验测量数据对比,吻合程度较好。     

基于应变响应统计特征的海洋立管损伤诊断方法

考虑海洋立管的实际服役环境和现有监测技术水平,发展一种基于应变响应统计特征的损伤诊断方法。推导以应变测量单元为基础的细长梁式结构应变响应与结构模态参数的映射关系,提出连续测试数据的均方根应变作为海洋立管的损伤特征参量。针对损伤程度较小或量测噪声影响较大可能引起的损伤误判,根据小波多分辨率分析理论,利用小波去噪和分解处理该损伤特征参量的空间域数据,进而实现准确地损伤定位。在此基础上,进行了某张力腿式平台顶部张紧式立管的数值模拟;依据损伤诊断策略对假定布设应变传感器的上部500个应变测量单元分析得到上述损伤特征参量。结果表明:该方法对立管局部刚度下降进行了有效的识别,对单、多处损伤的损伤判别和定位的效果良好,损伤诊断效果受量测噪声以及服役工况和顶张力等因素变化的影响较小,可为相关工程结构健康监测提供理论和技术支持。     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

顶张式立管液压气动式张紧器的数值模拟

综合考虑液压气柱的张力-冲程非线性关系以及平台-张紧器-立管之间的运动耦合关系,建立带液压气动式张紧器的顶张式立管有限元分析模型。为了更加符合工程实际,该模型中考虑了立管的真实截面布置以及采油树的作用。对4种张紧器模型,即恒定集中力模型、传统的简化模型、线性弹簧-阻尼模型以及非线性弹簧-阻尼模型进行对比分析。结果表明:恒定集中力模型不能反映立管张力的变化规律,而且立管响应也存在较大差别,故不宜采用;传统的简化模型过高评估了张紧器的张力水平,有可能导致不准确的立管响应评估结果;线性弹簧-阻尼模型可用于环境条件较温和的情况;该研究建立的非线性弹簧-阻尼模型最能反映张紧器的刚度特性,且在极端载荷环境下尤为适用。     

区间参数智能梁结构开环系统动力特性分析

以区间参数压电智能梁结构为研究对象,在材料性能参数和几何尺寸为区间变量时采用区间分析法建立了结构质量矩阵和刚度矩阵的区间模型。从求解结构振动动态特性的Rayleigh商出发,利用区间变量运算法则推导出了结构开环系统固有频率的数字特征表达式。通过算例,考察了区间参数对结构固有频率特性的影响,验证了所建模型和方法的可行性与合理性。研究结果表明,文中利用区间系数分析法来研究压电智能梁结构开环系统的动力特性具有一定的工程应用价值。     

电梯系统共振失效的灵敏度研究

以曳引式电梯为研究对象,考虑电梯曳引绳刚度具有时变特性,对电梯系统建立了8自由度耦合振动的动力学模型。在对系统进行模态分析的基础之上,以影响系统模态频率的动力参数作为随机变量,结合DOE试验方法与神经网络技术,得出系统随机变量与系统模态响应之间的显性函数关系式。依据动态结构系统的固有频率与激振频率差的的关系准则,定义了系统共振的失效模式,并对系统的随机变量进行了可靠性灵敏度分析。研究表明,绳头侧刚度和曳引机支撑刚度对频率共振影响最为明显,因此,在电梯系统设计中可以通过修改该动力参数达到有效降低共振的风险。同时,在实际工作中应该严格关注和监视该动力参数的变化,避免发生共振。     

剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究

给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解,与Shear7给出的结果进行比较。结果表明:在低于20阶模态数时,两种方法得到的固有频率能很好地符合;在高于20阶模态数时,随模态数的增加,两种方法得到的固有频率结果差距也逐渐变大,因此弯曲刚度不能忽略。由悬链线方程将钢悬链线立管等效为顶端张紧立管,通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管的涡激振动响应。研究发现钢悬链线立管的静态位移与转化之后的等效立管均方根位移组成了类似于锯条的形状。     

桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响

以泉州海湾桥两种结构形式双幅桥面主梁方案为背景,通过数值计算研究了两种双幅桥面结构的结构动力特性;通过风洞试验研究了桥梁颤振稳定性和涡激共振性能。研究结果表明,是否存在桥面横向连接对双幅桥的结构固有动力特性影响较大,无横向连接双幅桥面较有横向连接双幅桥面的模态特征更复杂,其竖弯和扭转基频均会出现双幅桥面同向运动和反向运动两种模态;在气流作用下,无横向连接双幅桥面和有横向连接双幅桥面的主梁运动形式不同,两种结构形式双幅桥面的颤振稳定性能和涡激共振性能存在显著差异,双幅有横向连接主梁的气动稳定性优于双幅无横向连接主梁,但前者的涡激共振性能要差于后者。     

四边简支双曲率蜂窝夹层薄壳自由振动分析

基于Reddy三阶剪切理论,研究了四边简支双曲率蜂窝夹层薄壳的自由振动,以及结构参数对蜂窝夹层薄壳固有频率的影响.将由六边形胞元组成的蜂窝芯层等效为一正交异性层,其等效弹性参数由修正后的Gibson公式得到,应用Reddy三阶剪切理论和Hamilton变分原理推导出四边简支条件下双曲率蜂窝夹层薄壳的频率方程.具体算例表明,采用Reddy三阶剪切理论计算的固有频率精度较高;双曲率蜂窝夹层薄壳的曲率、厚度比及胞元角度对蜂窝夹层壳固有频率有不同程度的影响,其中蜂窝夹层薄壳的固有频率随曲率的增大而增大,随厚度比的增大呈波动变化,随胞元角度的增大而减小.     

张紧器-高压隔水管耦合系统横向振动特性研究

为了准确分析张紧器-高压隔水管耦合动力学特性，考虑平台漂移以及张紧器、海水阻尼等影响，基于动力学基本原理建立深水钻井工况下张紧器-高压隔水管横向振动力学仿真模型，并在MATLAB中利用有限差分法进行离散求解，分析了管内高压流体、张紧器耦合作用、海流流速、平台漂移量、张紧器张力比等因素对高压隔水管和常规隔水管横向振动的影响。仿真结果表明：在管内高压流体、张紧器耦合作用的影响下，高压隔水管的横向振动位移减小、应力增大；随着海流流速的增大，隔水管的横向振动位移增大，位于海面附近的隔水管的横向振动应力增大，隔水管底部的横向振动应力基本不受海流流速的影响；随着平台漂移量的增大，隔水管的横向振动位移增大，且越靠近海面变化越明显，但横向振动应力基本保持不变；随着张紧器张力比的增大，隔水管横向振动位移减小、应力增大，且对于常规隔水管，易产生应力集中。研究结果可为深水钻井工况下张紧器-高压隔水管的耦合振动特性分析提供理论依据。     

钢悬链线立管振动响应影响因素分析

海洋立管内部一般有高压的油或气通过,这将对立管的振动响应产生较大的影响。首先研究SCR管内流体的流速对结构固有频率的影响,结果表明：立管的固有频率随着管内流体流动速度的增加而降低,应在设计时予以足够重视。另外又分析悬链线立管张力随水深的变化规律,计算考虑变张力的立管固有频率,比较分析弯曲刚度对固有频率的影响。结果表明：弯曲刚度对前10阶频率影响不大。因此,在计算低模态的涡激振动时,可以忽略弯曲刚度的影响。     

经典式Spar平台垂荡-纵摇耦合混沌运动研究

该文基于Lyapunov指数研究经典式Spar平台主体垂荡-纵摇非线性耦合的混沌运动。建立了规则波浪中平台主体垂荡-纵摇耦合非线性微分方程,以经典式Spar平台为例,数值计算了响应的最大Lyapunov指数谱及分岔图,在波高和波浪频率构成的平面上,计算了平台不稳定纵摇运动的参数域。结果表明,平台运动形式对波浪激励频率非常敏感,随着波浪频率的改变,Spar平台发生1/2亚谐运动、概周期运动,当波浪频率接近垂荡固有频率时,发生混沌运动。     

基于动力非线性有限元法的索-梁相关振动研究

根据考虑结构几何非线性的有限元动力时程积分算法,开发了有限元程序SD_FEM。使用该程序建立了精细的索-梁组合结构有限元模型,计算了结构的自振特性与结构在外部动力荷载作用下的振动响应。分别讨论了当整体结构自振频率与拉索局部自振频率有1:1、2:1和不成倍数关系时,索-梁相关振动导致拉索振动的状况。分析了数值计算结果,总结了索-梁相关振动的本质规律。     

热弹耦合梁结构动力响应的区间数值分析

研究了含有区间参数梁结构在温度载荷和力载荷共同作用下的动力响应问题,考虑材料变形与传热的相互影响,建立了梁在热弹耦合下的动力学有限元模型,并给出了对结构瞬态热传导方程与动力学方程进行相互交替迭代求解的计算方法。针对结构响应不确定性问题,以不确定参数作为约束变量,通过寻求结构响应函数的区间范围,将区间问题转化为优化问题,并利用遗传算法给出了结构响应函数的区间界限。通过算例及与概率有限元方法的计算结果比较,表明文中所提出方法的可行性和有效性,并获得在热弹耦合作用下梁结构的固有振动频率有所增加,而振动响应振幅则逐渐减弱的结论。该方法只需已知不确定参数所在范围的界限,而无需其他统计信息,为解决区间参数热弹耦合梁问题提供了一种途径。     

基于频率灵敏度方法的宏微运动平台连接架结构优化

连接架与驱动设备频率相近而发生共振,将影响宏微运动平台的稳定工作和超精密定位的实现.为避免共振,本文以连接架为研究对象,搭建连接架固有频率有限元分析模型,并对有限元模型进行实验验证.然后,基于频率灵敏度方法对有限元模型结构参数进行摄动,通过分析刚度和第1阶固有频率对结构参数的灵敏度,进行设计变量选择,再以连接架质量为约束条件,将连接架第1阶固有频率倒数作为目标函数,对连接架优化模型进行优化并进行实验验证.通过优化,连接架第1阶固有频率得到了有效的提高,避免了连接架与音圈电机发生共振,从而为宏微运动平台稳定工作和超精密定位提供可靠依据.     

基于实测扫频响应反推管路卡箍支承刚度及阻尼

为了建立管路系统动力学模型并分析其振动特性,需获取动载荷下卡箍支承刚度及阻尼等力学特性参数。该研究提出一种基于实测扫频响应的响应面法来反推上述参数的方法;提出了基于响应面反推管路卡箍支承刚度和阻尼的辨识算法;利用自编有限元创建了管体-卡箍系统的动力学模型,推导了管路系统振动响应;在利用响应面法的匹配计算中,进行了卡箍刚度及阻尼关于频率和对应响应的多项式拟合,并采用基本遗传算法进行了优化。在实例研究中,用提出的方法辨识出了所研究管路卡箍的具有频率依赖性的支承刚度和阻尼;将辨识值回代到分析模型中,通过比较预测的与实测的频域响应,共振频率及响应偏差均小于3%,证明了辨识结果的合理性。     

基于混合田口遗传算法的磁流变半主动悬架模糊控制

针对磁流变悬架的非线性以及动力学模型的不确定性,提出一种基于混合田口遗传算法的磁流变半主动悬架整车模糊控制策略。首先建立了基于磁流变减振器的整车动力学模型,并将车辆的振动控制分解垂向振动、俯仰、侧倾三个基本任务设计模糊控制器,进而设计了隶属函数和模糊控制规则;接着引入混合田口遗传算法实现对模糊控制器的隶属函数和模糊控制规则同时优化;最后进行实车道路试验来验证控制策略的有效性。试验结果表明,基于混合田口遗传算法的模糊控制能够降低确定路面激励下车身加速度峰峰值,降低随机路面激励下的加速度均方根值,显著提高车辆的平顺性,其控制效果要优于优化前的模糊控制策略。     

双质体振动磨动力学建模及参数优化

针对多自由度振动磨系统建模困难以及动力学参数优化设计的需要,根据拉格朗日方程建立双质体振动磨6自由度动力学方程,利用数值分析方法分析了系统的动力学响应,并通过振动测试试验验证了模型的有效性。在振动微分方程的基础上研究了激振器转速对振动磨动力学特性的影响,仿真结果表明在一定范围内,转速越大,振动强度越大,但振动幅值越小。为了使振动磨产生更好的粉磨效果,对激振参数进行优化分析。利用模态分析获得双质体振动磨的固有频率和振型,分别从振动强度和共振频率两个角度确定系统激振器转速的上下限,得到转速的最佳取值范围。在实验室振动磨样机上进行参数优化后的粉磨试验,实验结果表明,改进后的振动磨机金刚石粉体产品d50达到0.27µm,较之前有所细化,验证了参数优化具有一定的工程效果,为振动磨超微粉碎的动力学设计和产品开发奠定了基础。     

基于振动分布特征的电力变压器绕组故障诊断

振动分析法是实现电力变压器带电监测与故障诊断的重要手段,而基于振动分析法的故障诊断方法的关键在于从复杂的油箱壁振动信号中提取出状态特征(值或矢量)。传统的状态特征提取方法大多选取单个测点的振动信号进行时域或频域特征的提取,往往忽略了各测点间的振动分布特征。从振动重心的角度对振动分布的幅值重心及重心轨迹进行研究与分析,能够提出四个量化参数。在四个量化参数的基础上结合支持向量机分类算法提出基于振动分布特征的变压器绕组故障诊断模型。实际变压器的绕组故障实验以及十余台台电力变压器现场实测数据样本的分析与测试结果均表明,提出的振动分布特征及量化参数能够有效反映变压器绕组变形、压紧力松弛等机械结构变化,而基于振动分布特征的绕组故障诊断模型也可准确的对变压器绕组机械结构状态进行检测与诊断。