桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的对比分析

地震时邻梁间的碰撞是引起桥梁局部损坏甚至落梁的主要原因。为合理分析桥梁的地震碰撞响应, 基于所开发的结构精细化模拟分析平台FENAP, 对比分析了桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的计算精度和适用条件。在FENAP平台上引入线性弹簧、Kelvin-Voigt、Hertz和Jan-Hertz-damp等四种接触单元模型, 建立了结构地震碰撞分析平台, 并通过数值验证以及对正弦波和地震动激励下的模型试验的数值分析, 对比分析了不同接触单元模型对结构碰撞响应的影响。研究表明：所建立的结构地震碰撞分析平台具有较高的计算精度和效率;在四种接触单元模型中, Kelvin-Voigt和Jan-Hertz-damp模型的计算精度和适用性更高, 而线性弹簧和Hertz模型, 由于未考虑碰撞过程中的能量损失, 仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。     

基于Newmark精细积分结合法的弹塑性结构地震碰撞反应分析

传统精细积分法在实现方程降阶的同时,系统矩阵的维数增加一倍,而且非齐次项的解析解需要对系统矩阵求逆,这对于刚度矩阵时变的弹塑性结构地震反应分析,不仅大大增加了存储以及计算工作量,有时还会因逆矩阵不存在而求解失败。为改进上述缺点,推导了全量动力平衡方程和增量动力平衡方程的Newmark精细积分结合法;推导了非齐次项为线性变化和常量的级数解公式。针对弹塑性结构界点转换以及时变刚度问题,给出了全量迭代修正法和增量迭代修正法。上述几种方法结合使用,研制了弹塑性结构地震碰撞反应分析程序,并进行了算例验证。研究表明,Newmark精细积分结合法可以应用于弹塑性结构地震碰撞反应分析,结果精度对积分步长敏感。     

结构地震碰撞分析的线性粘弹性碰撞模型

针对结构地震碰撞模拟问题,该文中结合Kelvin模型和Hertz-damp模型构造了新的碰撞阻尼函数,提出了线性粘弹性碰撞模型,并基于现有的碰撞试验数据检验了其正确性和碰撞模拟精度。研究结果表明：线性粘弹性碰撞模型可以消除Kelvin模型中出现的撞击力跳跃和拉力的缺陷;相比其他常用的结构地震碰撞分析模型而言,线性粘弹性碰撞模型和Hertz-damp模型都具有较高的碰撞模拟精确度,且线性粘弹性碰撞模型的表达形式比Hertz-damp模型的更为简单易用。分析对比中还发现,如在碰撞模型中忽略碰撞过程中的耗能,数值模拟结果将会高估碰撞对结构的破坏效应。     

基于精细积分法的相邻结构弹塑性地震碰撞分析

罕遇地震作用下,结构会不可避免进入塑性状态,并且相邻结构会产生碰撞现象。将相邻的复杂结构简化为多个单自由度结构,并在相邻结构间增加接触单元,以模拟多点碰撞。地震反应过程区分为分离状态和碰撞状态,分别建立了增量动力平衡方程和全量动力平衡方程,推导了分离状态增量动力平衡方程和碰撞状态全量动力平衡方程的精细积分法,并解决了滞回曲线界点的精确分析和分离-碰撞状态转换问题。设计了增量精细积分法和全量精细积分法相结合求解弹塑性地震碰撞反应的算法。通过算例分析,验证该算法能精确地模拟结构的材料非线性行为和碰撞行为。在此基础上,对接触单元模型进行参数化分析,结论有助于进一步理解相邻结构碰撞现象。     

多孔介质矩形薄板的精细积分模型

基于三维Biot理论和弹性薄板理论,考虑多孔介质薄板骨架与流体的耦合作用,导出了多孔介质矩形薄板在谐激励作用下的一阶常微分矩阵方程。利用齐次扩容精细积分方法,对两对边简支矩形薄板在均布荷载和集中荷载两种情况下的弯曲振动问题进行了求解,对比经典算例,验证了所建模型的可行性和有效性。相对于数值方法,本文提出的方法适用于中高频段的分析计算。     

基于Hertz接触模型的柔性梁碰撞振动分析

首先研究两弹性体碰撞振动中的接触力，用多项式逼近具有分数指数的Ｈｅｒｔｚ模型来实现近似解析分析，然后讨论与碰撞有关的各因素对两柔性梁受迫碰撞振动的影响。当耦合模态解增加时，碰撞强度增大，系统呈现典型的非线性     

多维非平稳随机地震响应分析的混合型精细时程积分

在一维虚拟激励法的基础上,通过激励功率谱的分解,建立多维非平稳地震激励作用下结构随机响应的虚拟激励法。根据演变随机激励的调制函数取不同形式,推导不同的特解精细积分格式,并混合应用这些格式于结构响应时变功率谱分析,可获得高效精确的数值结果。最后,通过算例讨论地震动各分量相关性对非对称结构地震响应的影响,得到一些有意义的结论。     

地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

地震作用下结构碰撞的模型参数及其影响分析

地震作用下,结构的碰撞问题被认为是影响结构地震反应和结构抗震性能的一个重要因素,碰撞是一种十分复杂的非线性问题,在计算分析中涉及到较多参数,需要分析其模型参数对碰撞现象以及结构的影响。通过单墩模型分析研究,在尽量少的参数变化下,初步得到了桥梁结构发生碰撞时模型参数对碰撞及结构的影响。     

一种基于变恢复系数的接触碰撞力模型

为了有效描述机械系统中的接触-碰撞现象,在考虑材料屈服强度和初始碰撞速度的基础上,提出一种变恢复系数模型,进而建立了一种改进的、变恢复系数的接触-碰撞模型;随后,分别以轴-轴承、球-球以及平面曲柄滑块机构为例,通过大量数值模拟和实验测试,以及二者间的对比分析,对改进模型的有效性、准确性进行了验证。研究结果表明,改进的模型能够更加准确的描述间隙铰链处的接触碰撞效应,以及间隙铰链对机械系统动态特性的影响规律。