风-列车-大跨度悬索桥系统非线性耦合振动分析

考虑大跨度悬索桥结构的几何非线性因素,建立了风-列车-桥梁耦合系统动力分析模型。为了考虑结构大位移非线性因素的影响,在有限元建模时考虑悬索桥主缆自重垂度及缆索初始内力的作用,在动力平衡微分方程中增加了几何刚度矩阵,通过自编计算程序,研究了列车与风荷载同时作用下主跨1120 m的五峰山悬索桥设计方案的线性及非线性振动响应。计算结果表明,考虑结构的大位移非线性因素对桥梁位移及加速度时程曲线变化趋势的影响不大,但会使其响应极值减小,非线性因素对桥梁加速度产生的误差影响较大而对位移的误差影响较小。     

基于场一致性的可带铰空间梁元几何非线性分析

虽然关于几何非线性分析的空间梁单元研究成果较多,但这些单元均是基于几何一致性得到的单元刚度矩阵,而基于场一致性的单元研究则较少,该文基于局部坐标系(随转坐标系)下扣除结构位移中的刚体位移得到的结构变形与结构坐标系下的总位移的关系,直接利用微分方法导出两者增量位移之间的关系,再基于场一致性原则,最终获得空间梁单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵,在此基础上根据带铰梁端受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式,利用该文的研究成果编制了程序,对多个梁端带铰和不带铰的算例进行了空间几何非线性分析,计算结果表明这种非线性单元列式的正确性,实用价值较强。     

基于振动测试的非线性参数识别方法

研究了利用特殊的正弦扫频技术识别非线性参数的方法。该方法利用目前线性系统成熟的模态分析技术,并结合等效线性化理论,通过振动测试识别结构的非线性参数,可以建立一个更加准确的模型来反映非线性结构的动力学特性,从而提高模型的预测精度。该方法包括两部分：（1）常位移测试识别非线性刚度;（2）常速度测试识别非线性阻尼。常位移测试是在一次正弦扫频过程中,通过调整各频率下的激励力幅值使得位移响应的幅值为常数,获得一组频响函数,通过模态分析获得等效刚度;改变位移响应的幅值进行多次测试,获得多组等效刚度;对获得的一系列恒定位移响应下的等效刚度进行曲线拟合,即可获得所有线性和非线性刚度参数。常速度测试与其类似。以三自由度非线性系统为例,进行了常位移测试和     

GSQ24壳体单元用于板壳结构的几何非线性分析

在考虑剪切变形的Von Karman大变形小应变假设下,基于全Lagrange描述方法,将平面内带有旋转自由度的GSQ24壳体单元用于板壳结构的几何非线性分析,给出了板壳结构大变形下的小位移刚度矩阵、初应力刚度矩阵、初位移刚度矩阵有限元列式。同时,文中也给出了既考虑材料非线性,又考虑几何非线性的强非线性问题的板壳结构分析时的有限元列式。数值算例与变分法和级数解结果比较,表明本文方法的可行性。     

大跨隔震结构基于结构随机因子法的响应分析

结合等价线性化方法,将随机因子法拓展应用到非线性多自由度结构中。选取隔震支座的屈服位移、面积、面压和高度等四个参数为随机变量来考虑隔震层刚度和结构质量的随机性,采用结构随机因子法建立大跨隔震结构的四个随机变量与结构刚度和质量之间的关系,应用代数综合法推导了结构位移响应的数字特征计算表达式。最后通过算例研究了多维地震下大跨隔震结构中结构随机性对位移响应的影响,并获得了一些有意义的结论。     

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。     

压电集成碳纳米管CNT增强功能梯度结构非线性建模与仿真

将碳纳米管(carbon nanotube,CNT)以梯度形式分布与基体材料结合,形成功能梯度(functionally graded,FG)结构。为了实现FG-CNT增强复合板在发生大变形时的准确计算,考虑四种典型的CNT分布形式,均匀分布、V型分布、O型分布和X型分布,建立基于Reissner-Mindlin板壳假设的大变形几何非线性有限元模型。该模型不仅包含了几何全非线性应变位移关系,还考虑了薄板结构法向发生大转角的情形。该研究与文献结果进行比较,验证模型的准确性;对FG-CNT增强复合板进行几何大变形非线性计算,分析CNT分布形式、CNT增强角度等因素对FG-CNT增强复合板刚度的影响。研究结果表明,CNT分布形式及增强角度对FG-CNT复合板的力学特征有显著的影响。     

基于共旋法与稳定函数的几何非线性平面梁单元

建立一个准确、高效的几何非线性梁单元对于描述杆系结构的非线性行为至关重要。该文基于共旋坐标法和稳定函数提出了一种几何非线性平面梁单元。该单元在形成中把变形和刚体位移分开,局部坐标系内采用稳定函数以考虑单元P-δ效应的影响,从局部坐标系到结构坐标系的转换则采用共旋坐标法以及微分以考虑几何非线性,给出了几何非线性平面梁单元在结构坐标系下的全量平衡方程和切线刚度矩阵;在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。通过多个典型算例验证了算法与程序的正确性、计算精度和效率。     

非线性刚度减振器的静变形对响应的影响

近几十年来，人们对非线性刚度减振器在白噪声激励下的响应已进行了广泛的研究．但这些研究忽略了非线性刚度的静变形对响应的影响．本文由ＦＰＫ法计算结果表明，对杜芬型非线性刚度减振器若不考虑静变形的影响，其位移均方值响应的误差可达１５％左右．     

单层平面索网结构非线性频率简化计算方法研究

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其挠度较大,结构具有较高的几何非线性,其动力特点不同于传统的线性结构。采用连续化薄膜理论建立了单索幕墙的非线性振动方程,并采用谐波平衡法求解了结构非线性频率的解析表达式,为校核解析公式的正确性,将其计算结果同精确的有限元非线性时程方法的计算结果进行了比较,吻合很好,该解析公式具有相当高的精度。同时指出结构位移为3/2结构振幅位置处的刚度即为单索幕墙结构的等效线性刚度,采用该等效线性刚度即可得到上述非线性频率的解析表达式。此外得到的结构非线性振动方程和非线性频率为结构在动力荷载下响应的求解提供了基础。     

世博轴阳光谷结构风致响应分析及频域时域方法计算结果比较

摘要：基于刚性模型风洞试验获得的建筑表面风压分布结果,分别采用频域和时域方法,对一个特大型复杂空间结构进行了风振响应计算。分析了结构的响应特性,并对两种计算方法得到的典型节点位移及单元轴力的均方根值、峰值及功率谱曲线进行了比较。结果表明,频域方法计算结果小于时域方法;两种方法计算的响应功率谱曲线反映了类似的能量分布;225°风向角是结构的最不利工况。     

某大型博物馆结构风致响应分析

基于刚性模型风洞试验,对一个具有索网幕墙的新型杂交结构--某大型博物馆结构进行风致响应计算.在计算平均风响应时考虑结构几何非线性的影响;分析脉动风响应时将结构近似作为线性结构处理,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法（CQC法）进行计算.计算结果表明,当关键点出现极大值响应时,平均风响应对峰值响应的贡献较大,而且动力响应中共振响应一般大于背景响应.此外,对于关键点竖向位移及结构支座竖向反力,主要是壳体悬挑部分的风荷载起作用;而索网面位移主要由索网面上的风荷载控制,悬挑部分的风压对其影响很小.     

Large deflection analysis of beams with variable stiffness

Summary. In this paper, the Analog Equation Method (AEM), a BEM-based method, is employed to the nonlinear analysis of a Bernoulli-Euler beam with variable stiffness undergoing large deflections, under general boundary conditions which maybe nonlinear. As the cross-sectional properties of the beam vary along its axis, the coefficients of the differential equations governing the equilibrium of the beam are variable. The formulation is in terms of the displacements. The governing equations are derived in both deformed and undeformed configuration and the deviations of the two approaches are studied. Using the concept of the analog equation, the two coupled nonlinear differential equations with variable coefficients are replaced by two uncoupled linear ones pertaining to the axial and transverse deformation of a substitute beam with unit axial and bending stiffness, respectively, under fictitious load distributions. Besides the effectiveness and accuracy of the developed method, a significant advantage is that the displacements as well as the stress resultants are computed at any cross-section of the beam using the respective integral representations as mathematical formulae. Several beams are analyzed under various boundary conditions and loadings to illustrate the merits of the method as well as its applicability, efficiency and accuracy.     

基于气动新模型的大跨度桥梁频域抖振分析

提出采用准定常气动刚度与基于试验的非定常气动阻尼进行气动修正的大跨度桥梁抖振计算新模型。桥梁节段模型风洞试验表明,气动新模型能相对更准确地描述桥梁结构的气动刚度与气动阻尼特性。以东海大桥的风致抖振响应为例,对气动新模型与传统Scanlan颤抖振模型的分析结果进行了对比研究。计算结果与风洞试验表明,气动新模型具有良好的计算精度与明确的物理意义。     

考虑荷载分布模式的弯剪型结构最优刚度分布解析研究

如果结构在外部激励下产生均匀损伤或均匀变形,则可避免出现薄弱层且可提高承载能力和安全性,以此为目标进行结构优化具有重要意义。将弯剪型结构简化为连续变截面悬臂杆,假定结构截面函数具有自然指数型和幂函数型等形式,将地震和风荷载等外部激励等效为均布、倒三角和惯性相关等三种荷载分布模式。根据均匀变形准则将结构绝对位移曲线关于高度的二次导数为零作为优化目标,建立结构连续化位移方程并进行优化求解,获得了考虑荷载分布形式的弯剪型结构最优刚度和截面分布解析解。理论和数值分析结果表明:截面按幂函数变化的结构能够实现均匀损伤,不同荷载分布模式下的最优刚度或截面分布有所不同。有限元静动力分析结果进一步验证了解析解的准确性和实用性。     

柱面网壳结构风致抖振响应研究

基于刚性模型风洞试验,在时域上对一柱面网壳结构进行风振响应计算,并细致分析了网壳结构在风荷载作用下的节点位移、单元应力、阵风响应因子和响应谱。结果表明,对于柱面网壳结构,受斜风作用时的工况为最不利工况,并且迎风侧端部的位移及单元应力最大;多个高阶振型参与振动;共振响应一般不可忽略,但对于起控制作用的响应,背景分量的贡献大于共振分量。     

Optimization Design of TMD for Vibration Suppression of Offshore Floating Wind Turbine

In order to suppress the responses of the large vibration displacements and loads of the offshore floating wind turbine under the harsh marine environment,an effect method for restraining vibration,putting tuned mass dampers( TMD) in the cabin of wind turbine,is proposed in this paper.A dynamics model for offshore floating wind turbine with a fore-aft TMD is established based on Lagrange equation; Parameter identification of the wind turbine is performed by the non-linear least squares Levenberg-Marquardt( LM) algorithm; Parameter optimization of the TMD is researched when considering the standard deviation of the tower top longitudinal displacements as the objective function.Aiming at five typical combined wind and wave load cases under normal running state of the wind turbine,the dynamic responses of the wind turbine with / without TMD are simulated and the suppression effect of the TMD is investigated.The results show that:there exists the optimum TMD mass ratio1.8% when the damped free vibration of the wind turbine,and the standard deviation of the tower top longitudinal displacements is decreased 60% in 100 seconds by the optimized TMD.The standard deviation suppression rates of the longitudinal displacements and loads about the tower and blades increase with the increasing TMD mass ratio when the wind turbine vibration under the combined wind and wave load cases,and when the mass ratio changes from 0.5% to 2%,the maximum suppression rates are from 20% to 50%,which effectively reduce the vibration responses of the wind turbine.The research results of this paper preliminarily verify the feasibilities of using TMD for restraining vibration of the offshore floating wind turbine.     

Measurement of discontinuous displacement/strain using mesh-based digital image correlation

In this study, a method for evaluating discontinuous displacement and strain distributions using digital image correlation (DIC) is proposed. A finite element mesh-based DIC method is used for measuring displacements while taking into account displacement and strain discontinuities. Smoothed displacements are thus obtained, and strains are computed from the measured displacements using the finite element mesh again. Discontinuous strains can be obtained by the proposed method using a split finite element mesh. The effectiveness of this method is validated by applying it to measure the displacement and strain in a triaxially woven fabric composite containing numerous free boundaries, to measure displacements around a crack and the displacement and strain around the interface between dissimilar materials. Results show that the discontinuous displacement and strain distributions can be measured by the proposed method. The proposed method is expected to be applicable for the experimental evaluations of various structures and members, including displacement and strain discontinuities such as free boundaries, cracks, and interfaces.     

基于高频天平测力试验的500kV单回路输电塔风致响应研究

基于高频测力天平风洞试验的结果,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法,计算了典型500kV单回路酒杯型输电塔的风致响应。结果表明：输电塔结构顺风向和横风向脉动位移响应、加速度和基底弯矩值都较大,横风向响应值甚至大于顺风向。各个方向一阶振型在响应中起主导作用。位移阵风响应因子和基底弯矩响应因子随风向变化趋势相近,顺风向关键节点位移响应因子最大值不超过1.8,弯矩响应因子约为1.5。     

2D Elastodynamics of Interface Microcracks: The Effect of Cracks Interaction

The study is devoted to a 2D problem for interface cracks under harmonic external loading. The system of boundary integral equations for displacements and tractions is derived from the dynamic Somigliana identity. The distributions of the displacements and tractions at the bonding interface and the surface of the cracks are analysed for the normally incident tension-compression wave. The dynamic stress intensity factors are also computed for different values of the frequency of the incident wave and the distance between cracks. The effect of distance between cracks on the solution of the problem is studied.