基于动力刚度法的体外预应力梁自振频率分析

用预应力梁-杆组合结构模拟体外预应力梁,以体外预应力简支梁为例,建立了预应力梁杆单元动力刚度矩阵。采用动力刚度法,进一步推导出预应力梁-杆组合结构的整体动力刚度矩阵,利用Williams-Wittrick算法求解频率。本文以理论推导为基础,引入了动力刚度法。最后通过算例,讨论了各种因素对梁横向的振动特性的影响,并与试验值比较。计算结果表明:动力刚度法能够精确有效的求解体外预应力混凝土梁的横向振动问题。     

预应力CFRP布加固损伤RC梁的动力特性研究

从理论上推导了预张力与损伤RC梁固有频率之间的定量关系。同时进行了预应力CFRP布加固RC梁的动力特性试验,测定不同预张力条件下,完好梁与损伤梁的一阶频率值。而后利用ANSYS软件建立钢筋混凝土完好梁的有限元模型,根据损伤梁的动力测试结果,运用优化分析的方法得到损伤梁混凝土刚度折减系数;利用一阶频率的试验值对公式进行线性拟合,得到频率影响因素及损伤梁频率计算公式。最后将加固损伤梁一阶频率的理论值与试验值进行比较,发现在低预应力作用下,理论计算结果基本能反映出试验值随预张力变化的趋势,试验值与理论值吻合较好。     

基于正交异性材料的预应力梁频率的试验研究

进行了一根无粘结预应力简支梁的动力试验,结果表明:预应力梁的固有频率随着预应力的增加而增加,这与Clough提出的轴力作用下各向同性材料梁的理论分析结果相反。其原因是传统的结构分析方法将混凝土视为各向同性、均质的线弹性材料。但是对预应力混凝土结构进行动力分析和检测,要求计算结果必须具有相对高的计算精度。为此该文从混凝土的微观结构入手,将预应力混凝土梁看作各向异性复合材料梁,采用正交异性的线弹性本构模型进行分析,将复合材料梁的刚度视为钢筋混凝土梁的刚度与预应力筋等效刚度之和,然后对预应力混凝土梁的频率与预应力的关系进行分析计算,计算结果与试验结果吻合较好。同时,利用该文提出的分析方法对Saiidi等人的试验梁进行了分析对比,其计算结果与其试验值也符合较好。     

体外预应力混凝土梁自振频率分析

该文进行了3根体外预应力混凝土简支梁的动力试验,试验表明:在张拉阶段,试验梁的自振频率随预加力的增大而提高,这是与传统的线弹性理论分析结论相反的;张拉开裂之后,试验梁的自振频率明显下降。为了和试验结果进行对比,运用相关文献中体外预应力梁的频率计算公式,对试验梁的自振频率进行了计算,计算结果与试验结果在梁频率的变化趋势及数值上均有较大的出入。该文以试验为基础,结合混凝土是一种复合材料的这种特性,提出了新的计算方法。计算表明:该文提供的方法具有较好的适用性,理论分析和试验结果吻合较好。     

节段施工体外预应力混凝土梁弯曲性能研究

节段施工体外预应力混凝土梁接缝受力行为的模拟,是能否进行可靠的有限元分析的关键。根据接缝处不同部位混凝土和钢筋的受力特点,建立了能够模拟接缝工作的计算模型,开发出能够对体外预应力梁进行全过程仿真分析的非线性有限元程序。应用所编程序,对Angel C.Aparicio等人的节段式体外预应力混凝土试验梁,分别改变其相应参数,进行弯曲性能分析。分析结果表明:接缝位置处的单元与普通梁段的单元并没有本质不同,其差异在于决定梁单元刚度亦即参与工作的材料有所不同;普通钢筋配筋率对节段较短的体外预应力梁抗弯性能基本没有影响;体外索初始张拉力、布筋形式和节段划分数目对节段施工体外预应力梁的弯曲性能分别有不同程度的影响。     

体外预应力梁动力特性的能量法分析

不引入解析法中体外筋预拉力增量与梁中点振动位移成正比的假设,提出用能量法分析体外预应力梁动力特性。由于不引入解析法中的假设,梁自振频率也更准确,与数值解吻合良好。计算结果表明：解析法低估了体外筋对第1自振频率效应;高估了对第2自振频率效应;体外预应力筋对第1自振频率影响较大,对高阶的频率影响很小,可以不考虑其影响;随着体外筋面积和偏心距的增加,梁的第1自振频率也随之增加。在理论上,体外预应力能减小梁的自振频率,而体内预应力对梁的自振频率没有影响     

预应力索膜结构的D.R法找形分析

本文应用动力松弛法(D.R)对预应力索膜结构进行了找形分析。选择平面形状作为初始试形状并用平面膜元代替一般文献中D.R法使用的虚设索元,得出了索膜结构在预应力态下的平衡形状分析方法。算例分析验证了该方法简便、实用,并且与索膜结构的静动力分析具有统一性。     

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。     

预应力梁横向振动分析的模态摄动方法

以预应力简支梁为例,分析了预应力在梁的横向振动过程中的变化,建立了预应力梁横向弯曲振动的微分方程。采用模态摄动法,进一步推导出预应力梁模态特性的近似分析方法,把复杂的变系数微分方程的求解转化为线性代数方程组的求解,从而有效地简化了计算过程。最后通过算例,讨论了预应力对梁的横向振动特性的影响。计算结果表明:当施加预应力的位置有较大的偏心距时,预应力对梁的自振特性有较大的影响。     

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。     

非对称Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合振动

通过直接求解均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元自由振动的控制运动微分方程,推导了其精确的动态传递矩阵。采用Bernoulli-Euler弯扭耦合梁理论,假定梁横截面没有任何对称性,考虑了薄壁梁在两个方向的弯曲振动及翘曲刚度的影响。动态传递矩阵可以用于计算非对称薄壁梁及其集合体的精确固有频率和模态形状。针对具体的算例,给出了各种边界条件下固有频率的数值结果并与文献中已有的结果进行了比较,还讨论了翘曲刚度对固有频率和模态形状的影响,结果表明如果忽略翘曲刚度的影响,可能得到毫无意义的结果。     

Free vibrations of a multi-span Timoshenko beam carrying multiple spring-mass systems

Structural elements supporting motors or engines are frequently seen in technological applications. The operation of a machine may introduce additional dynamic stresses on the beam. It is important, then, to know the natural frequencies of the coupled beam-mass system, in order to obtain a proper design of the structural elements. The literature regarding the free vibration analysis of Bernoulli-Euler single-span beams carrying a number of spring-mass system and Bernoulli-Euler multi-span beams carrying multiple spring-mass systems are plenty, but on Timoshenko multi-span beams carrying multiple spring-mass systems is fewer. This paper aims at determining the natural frequencies and mode shapes of a Timoshenko multi-span beam. The model allows to analyse the influence of the shear effect and spring-mass systems on the dynamic behaviour of the beams by using Timoshenko Beam Theory (TBT). The effects of attached spring-mass systems on the free vibration characteristics of the 1–4 span beams are studied. The natural frequencies of Timoshenko multi-span beam calculated by using secant method for non-trivial solution are compared with the natural frequencies of multi-span beam calculated by using Bernoulli-Euler Beam Theory (EBT) in literature; the mode shapes are presented in graphs.     

《薄壁Timoshenko梁弯扭耦合振动的动态有限元法》

通过直接求解单对称均匀薄壁Timoshenko梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其精确的动态刚度矩阵。在本文研究中考虑了弯扭耦合、翘曲刚度、转动惯量和剪切变形的影响。针对某弯扭耦合的薄壁梁算例,应用本文推导的动态刚度矩阵,采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程,计算了该薄壁梁的固有特性,并讨论了翘曲刚度、剪切变形和转动惯量对该弯扭耦合薄壁梁的固有频率和模态形状的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性,并指出随着模态阶次的增加,剪切变形、转动惯量和翘曲刚度对薄壁梁的固有特性的影响更加显著。     

Vibration analysis of shape-optimized rotating cantilever beams

The shape optimization of rotating beams is carried out in order to minimize the vibrations. The objective is the maximization of the fundamental frequency with constraints on the beam mass and static tip deflections. The finite-element method (FEM) is used to model the rotating beam and sequential quadratic programming (SQP) is used for the optimization. The effects of beam frequency maximi-zation and hub–beam frequency maximization on the optimized shapes and the dynamic characteristics of these shapes are studied. The beam shapes are optimized for different speeds. The natural frequencies and time responses of these optimized shapes are studied using numerical simulation. Based on the numerical study, suggestions for formulating an appropriate optimization problem in a given context are made.     

轴向激励下斜拉索大幅振动分析

针对大跨度斜拉空间结构的斜拉索大幅振动问题,考虑塔柱-拉索-空间结构协同作用,导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程。采用多尺度法研究拉索大幅振动的各种可能性,运用精细时程积分法数值求解振动方程。研究表明斜拉索自由振动时的振动特性与塔柱、拉索、空间结构三者之间的频率比,以及塔柱、空间结构对拉索所提供的初始扰动特性密切相关;塔柱振动对拉索的参数振动影响明显。若塔柱与空间结构的固有频率相近且远离拉索固有频率,拉索振动发散。若塔柱和空间结构的固有频率相近、且与拉索固有频率存在一定差别,拉索振动呈现“拍”的特点。若塔柱、空间结构与拉索三者的固有频率相互紧密靠近,拉索振动的位移幅值接近拉索的初始扰动值。     

含裂纹损伤杆系结构的动态特性研究

运用动刚度有限元法,研究了含裂纹损伤杆系结构的动态特性。提出了一种含裂纹的杆单元,基于断裂力学的线弹簧模型,导出了相应的动刚度矩阵。在此基础上,对含裂纹的悬臂梁和平面框架进行了数值计算,并与已有的实验值和解析解进行了比较。结果表明:损伤位置和损伤程度的不同均会导致结构动态特性发生改变,因而在结构分析中应考虑损伤的影响;而该单元能够方便地用于含裂纹损伤杆系结构的动态特性分析,并具有很好的精度。     

弹性支撑旋转Timoshenko梁动力学特性

为研究弹性支撑旋转梁动力学特性随转速及弹性支撑参数变化规律,考虑剪切效应、转动惯量和陀螺效应,采用Hamilton原理推导旋转Timoshenko梁动力学方程,应用Chebyshev谱方法获得系统涡动频率与模态振型数值解。结果表明,在高速转动状态下陀螺效应、支撑结构刚度对Timoshenko梁动力学特性有显著影响;各阶固有频率随着转速增加而分成正向涡动频率与反向涡动频率,高阶频率变化幅度更大;涡动频率随支撑结构直线刚度增加而呈阶梯状变化,当直线刚度增加到一定值后系统涡动频率将保持稳定;随着支撑结构转动刚度增加,涡动频率出现一个最小值与最大值,前者低于自由边界条件下频率值,后者高于固定边界条件下频率值。相关结果可用于各类旋转梁机构的设计与优化。     

裂纹梁动态响应有限元分析中的线弹簧模型

本文提出了一种以线弹簧模型为基础来分析裂纹梁动态响应的新数值方法．应用能量原理和断裂力学理论首次建立了线弹簧模型的刚度矩阵，从而确立了一种能使二维裂纹问题转化为一维分析的梁的有限元模型．使用这个模型，研究了不同裂纹长度和裂纹位置对悬臂梁固有频率和振型的影响，并把计算所得到的数值结果与现有的实验数据作了比较．结果表明，当无量纲裂纹长度小于０．６时，两者吻合得非常好；反之，两者之间存在较大的误差．对这种误差产生的原因，本文也作了解释．