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。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

斜拉桥中索-桥耦合非线性振动的理论研究

考虑拉索的垂度、大位移引起的几何非线性及空气动力对系统的影响,将桥面简化为等截面的连续梁,建立了索-桥耦合的非线性振动模型。得到了对不同拉索数值求解的结果,表明当桥面和拉索的振动频率比值在1:1和2:1附近的小区间范围内时,索-桥耦合系统将产生严重的内共振,并呈现拍振的特征,而拉索与桥面耦合的振动特性与索的振动频率、垂度、倾角、风速偏航角、风速大小和阻尼等因素有关,从而为桥梁的设计和计算提供了理论依据。     

斜拉桥拉索的参数振动有限元分析

为探讨斜拉桥拉索发生大幅参数振动的条件,以及在振动过程中拉索的振幅和张力波动的特点,本文利用作者建立的几何非线性结构非一致激励响应分析方法,进行了斜拉索的参数振动有限元分析。分析表明:桥面的面内激励易使斜拉索的振动包含面外对称振型,从而出现组合振动现象;而桥面的面外激励只激起面外对称振动,不易引起斜拉索的面内振动;增加斜拉索的阻尼可抑制其振幅,缩小其发生大幅振动的频率范围,但其张力波幅却相应增加。所得结果与以往研究者的解析结果及实验观测现象相一致。     

大跨度铁路斜拉桥全桥索-梁相关振动研究

为了研究大跨度铁路斜拉桥在外部动力作用下索-梁相关振动导致的拉索振动状态,开发了非线性有限元动力时程积分方法,编制了有限元计算程序。以天兴洲大桥为研究对象,建立了斜拉桥全桥2维模型。研究了在理想外激励作用下全桥发生振动时斜拉桥的索-梁相关振动特性与拉索的共振条件。分析了不同工况列车通过桥梁时,车-桥耦合动力作用对拉索的影响。研究结果表明:对于大跨度铁路斜拉桥,发生索-梁相关振动时,斜拉桥中较长拉索更容易发生大幅非线性振动,拉索的1∶1主共振更容易发生,2∶1参数共振发生可能性较小;列车动力作用不会使拉索达到共振条件,不会造成拉索大幅振动。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

弯斜拉桥中索的主共振研究

研究由弯斜拉桥桥面振动引起的斜拉索参数共振和主共振问题。将弯斜拉桥施工及成桥状态的复杂结构进行简化,建立索-曲梁组合结构力学模型,推导考虑拉索初始垂度及几何非线性影响的索-曲梁组合结构非线性动力学方程。将索与曲梁的连接方式处理为弹性支承。运用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和主共振,并对稳态解的稳定性进行分析,同时对斜拉索参数共振和主共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下拉索的时间历程曲线。研究结果表明:桥面的低阶振动频率在索的线性振动频率附近且激励幅值在一定范围内时,桥面的小幅振动能够激励起拉索的大幅运动,影响弯斜拉桥施工与运营的安全性。     

基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。     

大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究

以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,应用考虑拉索侧向振动影响的车桥耦合振动分析方法研究了钢索和CFRP索斜拉桥的交通振动响应,比较了车辆计算模型、行车速度对计算结果的影响,并分析了斜拉桥的动力冲击系数。研究结果表明,大跨度斜拉桥主梁的振动响应以静位移和长周期振动成分为主,拉索局部侧向振动不明显,车辆计算模型对结构振动响应的影响十分有限,行车速度的提高增加了结构的动力系数,两种拉索材料对斜拉桥在车辆荷载下的振动响应影响很小,斜拉桥的动力系数离散性大且与构件类型有关。     

斜拉桥塔-索-桥耦合连续模型及其内共振分析

研究斜拉桥桥塔-斜拉索-桥面的连续耦合振动模型及其2∶2∶1和1∶1∶1内共振问题。计及拉索的重力垂度、倾角及空气阻尼等因素,将桥面简化为一端固支、一端受弹簧力作用的Bernoulli-Euler梁,桥塔视作受弹簧拉力和阻尼力的质量块,建立了桥塔-拉索-桥面连续耦合非线性振动模型。利用多尺度方法得到了系统发生内共振的条件,并求出系统的三个自由度稳态运动幅值所满足的关系式。对系统的内共振进行了数值模拟,验证了理论分析的正确性。结果表明,桥塔和拉索在初始扰动下会发生1∶1内共振,桥面在一次近似意义上仅仅提供了内共振产生的约束条件,但在内共振过程中没有参与系统各部分之间的能量交换。最后发现一定条件下,系统会出现混沌运动。     

索-梁耦合系统非线性振动分析

研究了在惯性参考系中弹性斜拉索与悬臂梁耦合结构的非线性振动问题,利用Hamilton原理建立了索-梁耦合系统的非线性动力学方程,利用Galerkin方法将索-梁耦合系统的非线性运动偏微分方程离散为一组常微分方程,然后利用多尺度法分析研究索-梁耦合动力学系统的非线性振动,用Runge-Kutta法对数学模型进行数值计算,同时探讨了各种参数对索-梁耦合系统非线性振动的影响,并提出对工程有实际意义的结论.     

非线性弹性地基上圆形薄板主参数共振-主共振研究

研究非线性地基上圆形薄板受简谐激励的非线性振动问题。按照弹性力学理论建立非线性地基上圆形薄板受简谐激励的动力学方程。利用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程,它是达芬-马休型方程。应用非线性振动的多尺度法求得系统主参数共振-主共振条件的一次近似解,并进行数值计算。分析阻尼、地基系数、几何参数等对共振响应曲线的影响。比较了两种地基的计算结果。     

由电磁力激发的电机参数振动的分岔研究

将机械振动，非线性动力学与电机瞬变理论，电磁场理论的交叉课题相结合，建立了电机转子横向振动的非线性微分方程，并将方程约化为在参数激励作用下单自由度非线性动力系统，从非线性分岔理论的观点，分析机电耦联动力系统的特性是电机领域研究的焦点，研究了由电磁力激发的参数振动非线性系统的分岔问题，给出系统的分岔转迁集和分岔响应曲线，揭示了各种电磁参数及机械参数对共振的影响，得到了有价值的结果，可对实际电机系统的参数设计，稳定运行和故障诊断提供一定的理论依据。     

多索-梁结构固有振动特性分析

进行了单索-梁结构和二索-梁结构模型固有振动试验,采用斜拉桥整体动力分析有限元方法建立了索梁结构有限元模型,与试验结果进行的比较验证了所建有限元模型的正确性。通过对单索-梁结构至四索-梁结构的固有振动特性的有限元分析表明,斜拉索的存在和数量对索梁结构的面内固有频率影响较大,对面外固有频率影响很小;斜拉索的增加使索梁结构面内振动频率增大的主要原因是斜拉索对主梁起到竖向支承的作用。将斜拉索竖向支承作用简化为弹性支撑,考虑斜拉索水平分力对主梁轴力的影响,推导得到了多索-梁结构面内固有振动的频率方程和振型函数,与有限元计算结果进行的对比说明了所得简化公式的正确性和适用性。     

非线性弹性地基上矩形薄板的非线性振动与奇异性分析

研究非线性弹性地基上小挠度矩形薄板的非线性振动，应用弹性力学理论建立非线性弹性地基上小挠度矩形薄板受简谐激励作用的动力学方程，利用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程。根据非线性振动的多尺度法求得系统主参数共振-主共振情况的一次近似解，并进行数值计算。分析了阻尼系数、地基系数、激励参数等对系统主参数共振-主共振的影响。系统主参数共振-主共振曲线均具有跳跃现象。随着阻尼、地基系数的改变，系统响应曲线具有“类软刚度特征”。随着参数激励幅值的改变，系统响应曲线具有“类硬刚度特征”。应用奇异性理论得到系统主参数共振-主共振稳态响应的转迁集和分岔图。     

索-梁组合结构中拉索的非线性响应

研究由桥面振动引起的斜拉索参数共振和亚谐波共振问题。首先,建立索-梁组合结构力学模型,推导了考虑拉索初始垂度的索-梁组合结构非线性动力学方程。然后利用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和亚谐波共振,并对稳态解的稳定性进行了分析。最后对斜拉索参数共振和亚谐波共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下的拉索时间历程曲线。数值模拟结果表明斜拉索振幅与阻尼有关,但不受拉索初始条件影响。     

斜拉桥斜拉索表面损伤状态下风致振动特性研究

斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中,可能产生划痕、裂缝等损伤,研究斜拉索在表面损伤状态下的风致振动特性,对于准确评估斜拉索在其服役期内的气动稳定性能具有重要意义。通过对光滑和表面存在凹痕的斜拉索模型进行风洞测振试验,分析了雷诺数、来流风向和凹痕尺寸等参数对斜拉索风致振动特性的影响规律,并对振动状态进行了初步判断。结果表明,表面存在凹痕的斜拉索模型的振动特征随雷诺数的整体变化趋势近似于光滑模型,但存在最不利风向,在此风向下,与光滑模型相比,表面存在凹痕的斜拉索模型的风致振动不仅在较低雷诺数发生,而且振幅较大,发生振动的雷诺数区间也较宽。此外,凹痕尺寸对斜拉索模型在试验雷诺数范围内风致振动特性的影响也非常显著,但并非简单的单调关系,而是与来流风向相关。根据模型风致振动频率与Den Hartog驰振准则,初步判断此风致振动不为涡激振动,而为驰振。     

斜拉桥参数振动有限元分析与半主动控制

采用有限单元法分析了斜拉桥的非线性参数振动问题,验证了在一定的频率范围内斜拉索与桥面板会发生参数共振;提出了应用形状记忆合金(SMA)对斜拉桥的参数振动实施半主动控制,并数值模拟了其控制效果,结果表明,斜拉桥参数振动的SMA半主动控制,不仅能大幅度地降低斜拉索和桥面板的振动,而且能有效地抑制斜拉桥参数共振的发生.     

基于非线性振动的斜拉索参数识别无模型方法

基于非线性振动理论提出了斜拉索参数识别的无模型方法.该方法以由奇异摄动法所获得的斜拉索自振频率解析表达式为依据,根据斜拉索频率测试结果和计算值之差构建目标函数,将斜拉索索力、索长等关键参数作为待识别参数,采用最优化方法实现参数识别.通过试验验证了方法的有效性并和有模型方法的识别结果进行了对比.研究表明,所提出的方法可以显著提高斜拉索动力响应分析结果的准确性;无模型方法和有模型方法精度相当.而无模型方法在求解效率、方法的易用性等方面更具优越性,更便于实际工程应用.     

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。