不同围岩与掘进参数下的TBM主梁振动特性

依托新疆某水利隧洞重大工程在掘全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM),开展不同工况下的TBM主梁振动现场试验。通过时域和频域全面分析了TBM在不同围岩不同掘进参数下的主梁振动特性。研究结果表明：主梁振动加速度的变化能够准确反应TBM的启动、稳定掘进、停止、换步工作循环过程;主梁振动随着激励振源距离的增大呈波动性衰减,但是轴向的振动波动较小,衰减幅度为36.68%,横向次之,竖向衰减程度最大,高达81.88%;破岩推进力引起的主梁竖向振动大于轴向和横向的振动,轴向加速度有效值波动范围为-5～5 m/s²,横向为-3～3 m/s²,竖向为-10～10 m/s²,地质条件(岩体完整性Kv、单轴抗压强度UCS等)对主梁振动有较大影响;TBM的关键掘进参数刀盘转速(n)、贯入度(P)、推进力(F)与主梁振动具有显著的相关性;主梁的振动频率一般分布在150 Hz以下,不同工况下,3个方向上可能会在某些频率点同时出现峰值,表明不同方向上存在耦合振动。现场测试揭示了不同工况下TBM主梁振动的特性与规...     

强振动环境下缠绕式液压胶管流固耦合特性

针对TBM破岩过程产生基础振动对液压胶管内流体动态特性影响,根据层合板理论建立缠绕式液压胶管振动梁模型,并结合轴向流固耦合模型建立胶管轴向振动动力学模型。运用特征线法求解该数学模型,研究基础振动参数和胶管结构参数对流体响应特性影响,发现胶管出口压力波动幅值随基础振动振幅呈线性增加的趋势,随振动频率增加,在40 Hz左右达到最大,此时振动频率接近系统固有频率;胶管出口压力峰值随液压胶管长度增加而减小,胶管内径在8 mm到30 mm变化时,其先增大后减小,随泊松比增大而增大。研究结果表明振动沿胶管轴向分量加强了流体与胶管互动效应,可为TBM液压管系设计和抗振提供理论依据。     

多点分布载荷下TBM刀盘系统振动响应分析

刀盘系统是全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)装备的核心部件,其工作环境极端恶劣,系统振动剧烈,导致关键构件发生异常失效,影响整机掘进效率。为此,有必要研究TBM刀盘系统的动态特性,分析不同参数对结构振动响应的影响,为系统设计及参数匹配提供理论基础。基于已有的TBM刀盘系统动力学模型,以某供水工程TBM刀盘系统为研究对象,对空间多点分布载荷下刀盘振动响应的参数影响规律进行了分析。研究结果表明,刀盘的分体质量比例控制在13%~14%时,刀盘轴向振动最小;刀盘转速高于2r/min时,其径向及扭转振动波动较明显,且得到了一系列峰值突变的转速点;驱动小齿轮均匀布置时,刀盘径向振动最小,振动幅度比非均匀布置时小近30%。分析结果可为刀盘的结构设计及系统参数匹配提供指导。     

基于子结构模型的平置式浮筏隔振系统功率流传递特性分析

针对大型船用浮筏隔振系统的声学优化设计问题,从振动能量传递角度出发,研究浮筏隔振系统各子结构参数变化对系统隔振性能的影响,分析振动能量由设备机脚经浮筏隔振系统传至基础的传递规律。采用子结构导纳综合法,建立基于弹性基础的多激励源多自由度浮筏隔振系统动力学模型,通过仿真分析不同子结构参数条件下浮筏系统振动功率流传递特性和变化规律。仿真结果表明:平置式浮筏系统中隔振器刚度、机组和筏体质量、弹性基础板厚度等结构参数对传入基础的功率流影响较大,减小隔振器刚度、增加机组设备、增加筏体质量、增大基础板厚度均可有效降低传入基础的振动能量。     

高速动车组吊耳装置结构参数优化分析

目前对高速列车转向架零部件异常振动问题的处理大多侧重于成因分析,从产生异常振动的源头上提出控制措施,不能从根本上解决异常振动的问题。在零部件结构可调整的情况下,参数优化对解决异常振动问题更加有效。现场试验发现,我国某型高速动车组在运营过程中出现吊耳装置异常振动且个别出现明显断裂裂纹的现象,针对此问题,采用有限元法,对其结构进行参数优化。对吊耳装置开展运行状态下的振动、应力特性和静态力锤模态特性测试,掌握了吊耳装置的加速度和应力响应频谱特性,分析异常振动的成因,确定目标变量。然后建立吊耳装置有限元分析模型,分析吊耳装置的振动特性、应力特性和疲劳寿命,研究吊耳装置的厚度和倒圆角半径对其振动特性、应力水平和疲劳寿命的影响。结果表明,吊耳装置厚度增加3 cm、6 cm、9 cm,振动显著频段加速度有效值分别降低4.6 dB、6.1 dB和8.9 dB,断裂处应力分别降低11.8%、19.0%和23.9%,疲劳寿命分别提高1.9倍、3.3倍和4.3倍;倒圆角半径增大3 mm、6 cm和9 cm,显著频段加速度有效值分别降低6.8 dB、10.9 dB和15.7 dB,1阶弯曲模态对应频率逐渐远离轴箱激励的显著区域,断裂处横向应力分别降低25.7%、38.6%和52.9%,疲劳寿命分别提高1.8倍、3.6倍和5.1倍。吊耳装置优化后的结构参数为:厚度20 cm,倒圆角半径9 cm,中间幅板宽度30 cm,螺孔半径8.5 cm。相关研究可为吊耳装置的设计提供参数范围,对降低运营过程中吊耳装置的异常振动、降低应力以减少断裂发生和提高疲劳寿命提供参考。     

硬岩掘进机的动力吸振方案优化研究

针对某隧道掘进工程中硬岩掘进机(TBM)的振动进行了实地测量。通过现场测试的结果可以看出,TBM推进系统在整个工作过程中振动剧烈,且主梁振动加速度响应在15Hz附近处出现明显的峰值。为降低TBM推进系统的振动水平,提出利用动力吸振器对TBM系统的振动进行抑制的方案。传统动力吸振器必须要有足够的附加质量才能达到良好的吸振效果,然而,TBM系统质量巨大且安装空间有限,吸振器的附加质量很难做到足够大。为此提出应用杠杆机构来实现放大吸振器的附加质量的方案,并设计了适用于TBM推进系统的动力吸振器。通过TBM整机—动力吸振器动力学建模分析,得到系统的频率响应函数,进而利用定点理论求得吸振器的最优同调条件与最优阻尼条件,最后对比传统动力吸振器和质量放大吸振器对主系统的抑振效果。结果表明,优化后的质量放大吸振器在吸振效果上较传统动力吸振器具有明显的优势。     

TBM液压管道频谱特性分析和结构优化

考虑到全断面硬岩推进机(TBM)掘进过程中轴向基础振动对流体流速和压力波动的影响,运用输流管道流固耦合轴向运动4-方程模型,分析基础振动的影响,建立轴向基础振动下的TBM液压管道轴向耦合振动方程组,并用直接解法在频域内对其进行求解,再运用MATLAB软件对管道出口处流速和压力的频域响应特性进行仿真计算,随之分析基础振动和不同结构参数对流体频域响应的影响规律。同时,为减弱基础振动对流体出口参数的影响,运用正交实验法对管道进行结构优化,优化后的管道系统流速的频域幅值整体上减小了48.61%,从而在一定程度上抑制了因基础振动带来的流体波动。     

基础振动下直动式减压阀动态特性分析

针对基础振动对TBM液压元件性能的影响,为TBM液压元件优化设计提供理论依据,选择直动式减压阀为研究对象,分析其工作原理,建立减压阀的动态响应数学模型,仿真研究基础振动幅值和频率对减压阀波动特性的影响规律,分析减压阀不同结构参数对压力波动的影响.结果表明：基础振动会引起减压阀出口压力波动,波动幅值随振动幅值增加而增大;当基础振动频率大于50 Hz时,压力波动幅值随频率的增加明显增大;减小背压腔初始容积和回流通道直径能提高减压阀的动态稳定性.     

TBM液压直管道的非线性动力学特性研究

针对TBM掘进过程中产生的振动对液压管道的影响,以液压直管为研究对象,在考虑管道变形的几何非线性及流体脉动的情况下,建立系统的非线性运动微分方程,运用Galerkin方法对其进行离散化,采用数值仿真方法分析基础振动振幅及频率对系统非线性动力学特性的影响规律。结果表明随着基础振动频率和幅值的变化,管道系统交替呈现周期和混沌运动两种形态。系统通过系列倍周期分岔或阵发性混沌进入混沌,通过倍周期倒分岔脱离混沌;当传递到管道上的基础振动频率低于42 Hz时,或者当传递到管道上的基础振动幅值D在(0,2.5)和(6.5,8.4) mm区间时,可以有效避免系统混沌运动的产生,增加管道运动的稳定性。     

几种典型复合材料板振动特性综合对比分析及设计规律研究

为探究复合材料可设计参量对板格振动特性的影响规律,以玻璃钢板为设计基准,针对碳/玻混杂、橡胶格栅夹层、浮力材料格栅夹层等3种典型复合材料板方案,开展了固有频率和振动加速度振级特性的仿真分析和模型试验研究。研究结果表明,等厚度的碳/玻混杂板和玻璃钢板质量相当,碳/玻混杂板具有较好的振动抑制特性;格栅夹层板振动特性主要受芯材性能影响,浮力材料格栅夹层板刚度质量比最大,对测试频段内(0～2 000 Hz)振动都有较好的抑制作用,而橡胶格栅板对更高频段(2 000 Hz)振动抑制效果较好,因此在芯材选择时应选用高阻尼、刚度与格栅想接近的材料;20 mm等厚度的碳/玻混杂板振动响应略低于浮力材料格栅夹层板。以上结论可为复合材料板结构应用选型提供依据。     

单斜面索拱支承曲梁人行桥人致振动控制研究

进行了一种单斜面索拱支承曲梁人行桥的人致振动控制研究。在人行桥的初始状态及静动力特性基础上,模拟了随机人群荷载作用下人行桥的振动响应,参数化地研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)的减振作用,考虑了TMD不同质量比、刚度、阻尼参数以及布置方式的影响。在TMD装置安装前后对人行桥进行实地动力测试,测试了结构减振前后的模态特性以及在单人、多人和人群荷载工况下的振动响应,讨论了TMD装置对该类型人行桥的减振效果。结果表明:减振后结构关键模态阻尼增大为减振前的4.14倍;单人步行和跑动工况下,通过设置TMD,结构加速度峰值下降31.1%～55.9%,加速度均方根下降36.4%～52.0%;多种人群步行工况下,结构竖向加速度峰值最大为0.41 m/s~2。研究结果表明单斜面索拱支承曲梁人行桥刚度较柔,TMD对控制该类型人行桥结构人致振动具有很好的效果。     

小直径附加圆柱对圆柱涡激振动抑制的参数优化

采用基于迭代嵌入式浸入边界法对后方对称布置两个小直径圆柱的单圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,对涡激振动抑制进行了参数优化。雷诺数和圆柱直径比分别为Re=100和d/D=0.125,其中D和d分别为大、小圆柱直径。通过改变控制角度(θ)、主圆柱与小圆柱的间隙比(G/D)、小圆柱旋转角速度和旋转方向(α)和阻尼比(ζ)确定的最优控制参数组合为θ=25°、G/D=0.125、α=-2.2和ζ=1.02。小圆柱的旋转角速度和旋转方向对圆柱振幅有一定的影响,其中内向反转会进一步抑制圆柱的振动,外向反转则恰好相反。随着阻尼比的增加,圆柱振幅先增后减,但影响程度较小。     

基于社会力模型的人群-桥梁竖向动力耦合效应研究

针对越来越多的轻质柔性人行桥在随机人群荷载作用下的结构振动问题,为了能够获得更为真实、精细的振动响应,建立考虑人群-结构相互作用的随机人群荷载模型尤为重要。首先利用移动弹簧-质量-阻尼模型模拟单人的动力学行为,并基于社会力模型,建立人群的随机运动模型,进而建立考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载模型。根据任意时刻人行桥和随机人群动力平衡,建立随机人群-人行桥耦合振动的控制方程。利用状态空间法求解人行桥动力参数随随机人群运动的变化情况,利用振型分解法求解耦合振动控制方程,探讨考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载对人行桥模态以及振动响应的影响。分析结果表明耦合系统模态变化量随着人数增加而增加。行人随机性与人群-结构相互作用对轻质结构的竖向动力响应影响很大,故在计算轻质结构振动响应时不可忽略。相比于加速度峰值,均方根加速度能够弱化随机波动的干扰作用,因此也采用了1-s均方根加速度更合理地衡量了结构的振动响应。     

基于二元件ISD结构隔振机理的车辆被动悬架设计与性能研究

二元件ISD串并联结构是组成被动机械网络的基础单元,通过在单自由度系统中振动响应特性和系统参数影响的讨论,研究二元件ISD结构振动控制的隔振机理,提出二元件串并联结构的理想匹配关系和悬架结构设计的一般方法,由此设计出车辆被动ISD悬架结构,建立四分之一悬架模型,采用多目标遗传算法优化被动机械元件的参数,参照相应标准以加权车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值为指标,对比研究所设计的被动ISD悬架结构的工作性能。仿真结果表明,所设计的车辆被动ISD悬架结构与传统被动悬架相比,在悬架动行程均方根值基本一致的前提下,其加权车身加速度和轮胎动载荷均方根值能同时得到改善,并且有效降低了低频段车身共振偏频处各项指标的功率谱密度峰值,说明所设计的悬架结构可有效改善车辆的乘适性和安全性。     

一种基于均方比值的人致结构振动加速度响应信号筛选方法

提出了一种基于人致楼板振动响应的加速度均方根值参数,该参数是结构振动响应信号均方根值和加权均方根值的比值,该参数能够快速判断采集到的人致楼板构振动信号数据是否异常。通过人致楼板振动响应均方根值的理论推导得到了该参数的具体表达式,同时通过建立施加不同工况的人群荷载有限元楼板模型,和不同工况人群作用下楼板振动现场试验,对该参数的性质进行了论证,该参数受人群荷载的参数影响小,与结构自身的基本性质相关性大,在处理大量数据信号时,可以通过该参数对数据进行快速筛选。     

基于希尔伯特-黄变换提取车辆轨道耦合系统时频特性

为研究各种激扰对车辆轨道耦合系统动力学响应时频特性影响,将基于改进经验模态分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform）应用于车辆轨道耦合动力学振动信号分析中。运用改进EMD方法提取耦合系统振动响应的固有模态函数（IMF）,并对其进行希尔伯特-黄变换,得到振动响应的希尔伯特时频幅值谱和边缘谱。分析表明：希尔伯特-黄变换较傅里叶变换的分辨率与精度高,能有效捕捉车轮缺陷及轨道谐波不平顺激励下车辆轨道耦合系统的调制信号;车体垂向振动加速度随轨道不平顺波长、幅值非线性变化,振动信号的轮周激励成分为调制信号,且随轨道不平顺幅值增大而减小,随轨道不平顺波长增大非线性变化。     

舰载飞机机体主传力结构拦阻冲击动力学试验与仿真分析

舰载飞机拦阻着舰过程中,在多系统相互耦合条件下复杂的拦阻动载荷通过拦阻钩作用于机体结构,对机体结构安全性提出挑战。研究此过程中拦阻动载荷在结构上的传播规律及主传力结构的动响应特性具有极为重要的意义。通过地面拦阻冲击模拟试验,对舰载飞机拦阻减速过程中机体主传力结构动响应进行分析研究,并基于刚柔耦合动力学模型对试验过程进行数值模拟仿真分析。研究得到了拦阻过载和应力应变在结构上的响应特征,获取了过载和应变峰值沿机体传力路径的分布规律,可以作为舰载飞机结构强度设计的重要参考依据。研究表明拦阻冲击过载峰值沿主传力路径顺航向,呈现出明显的衰减趋势。靠近拦阻钩接头结构过载峰值较高,但由于冲击时间短,应变响应较小,不会对机体结构造成损伤和破坏。拦阻载荷在机翼隔离框位置会产生应力集中效应,结构设计时应注意对相应结构作局部加强。     

考虑索间作用的斜拉桥耦合振动研究

为了研究几何非线性条件下斜拉桥索梁耦合振动与索间作用问题,以两条斜拉索与简支梁组合体系为简化模型,利用D’Alembert原理建立考虑初始垂度的索梁体系非线性偏微分方程,设定索的前两阶复合振动模态与梁的基本模态,运用Galerkin方法将其离散为二阶常微分方程,并使用四阶—五阶Runge-Kutta方法对索与梁的振动响应进行了数值分析。结果表明:在双索单梁组合结构中,特定频率条件下一阶模态与主梁强烈耦合,二阶模态与主梁小程度耦合;与单梁单索结构相比,多索导致主梁频率增大,索间作用使得索振幅增大、拍频降低,面内一阶模态对索梁变化更敏感;当索梁频率不变时,索间作用对耦合振动产生的索大幅振动有明显抑制作用,且索梁结构对主梁初位移变化更敏感。     

新型基底摇摆隔震桥墩柱抗震性能试验与分析

基底隔震结构已成为当前国际上研究新型结构抗震性能和开发新型结构抗震体系的热点方向之一。该研究提出了一种通过增设加台和高阻尼橡胶垫块的新型基底摇摆隔震桥墩模型,介绍了该新型基底摇摆隔震桥墩的具体构造细节,阐述了该桥墩的减隔震原理和优点,并通过振动台试验得出了该新型桥墩能够显著降低墩顶水平加速度和墩底应力值,但同时会增大墩顶水平位移的结论;过大的墩顶水平位移会影响桥墩的正常使用极限状态,以墩顶水平位移为设计控制要点,考虑墩柱在实际摇摆提离过程中的加台受压区宽度和墩柱弯曲变形的影响,通过静力平衡条件建立墩顶水平地震力F与墩顶水平提离位移δ的力学关系式,并引入位移动力放大系数β考虑实际桥墩墩顶动力位移Δ,使得其墩顶水平位移Δ满足铁路桥梁规范墩顶允许位移5 L数值要求。通过对理论推导关系式进行验证,结果表明理论推导的力学关系式和数值模拟结果整体上符合较好,并分析了存在偏差的主要原因。     

错位转换高层建筑结构竖向地震作用下的抗震性能研究

关于错位转换高层建筑结构在竖向地震作用下的动力特性和受力特性的研究目前还鲜有文献,本文采用Sap2000V9有限元程序对一实际带错位转换高层结构竖向动力特性和动力反应进行了分析研究。研究了竖向振型数对上、下部转换梁内力和主要竖向受力构件轴力的影响;用反应谱法和时程分析法计算了竖向加速度、竖向层间位移及竖向动应变,分析了上部、下部转换梁梁端点及梁托柱点所在位置节点动力反应随楼层变化情况,并将转换梁端点的反应和梁托柱的反应进行了对比分析研究。还计算了上、下部转换层梁托柱、承托墙肢、框支剪力墙、框支柱等的轴力,并将其与重力荷载代表值下轴力比值进行了对比研究。研究分析表明,竖向基本振型对构件内力起主要作用,竖向第5阶以上振型对转换梁和各竖向主要构件轴力影响很小;梁托柱点竖向位移、竖向加速度远大于其梁端点的反应;上、下部转换梁端点处竖向构件竖向应变在转换层上一层发生突变;同时会使两错位转换层之间楼层竖向构件竖向应变局部增大;楼层越高,其相应竖向构件的反应谱法与重力荷载代表值、时程均值与重力荷载代表值内力比值就越大;竖向地震作用下承托墙肢顶部一层和框支剪力墙底部三层轴力会发生突变。