连接界面迟滞非线性特征的动力学分析

连接界面上多物理场、非线性等力学行为是引起复杂结构动力学的主要原因,会引起结构的刚度软化和幅变阻尼。利用Iwan模型描述连接界面黏滑摩擦行为引起的迟滞非线性特征,采用数值积分获得连接结构非线性力学行为影响的传递特征,将绝对加速度的传递特征转化为相对加速度的幅频和相频特征,进而辨识出连接结构随频率变化的等效刚度和阻尼特征,并且研究了不同激励幅值对连接界面非线性动力学行为的影响。结果表明:Iwan模型能够较好地描述连接面的刚度软化和幅变阻尼特征,随着激励幅值的增加,连接界面的动力学行为由微观黏着控制逐渐转化为宏观滑移控制,等效刚度逐渐下降,表现为结构刚度的非线性软化特征;等效阻尼在微观滑移阶段逐渐增加,但在宏观滑移阶段却有所下降,表现为幅变阻尼的特征。     

单螺栓连接梁的非线性连接层建模与参数识别

针对线性的螺栓连接层等效模型无法表征进入微观滑移状态后结合部动力学行为的问题，用Voce本构关系对线性连接层等效模型做出了改进，使其能表征螺栓结合部的非线性动力学行为。以单螺栓连接梁为研究对象，试验探究了不同预紧扭矩对其固有频率的影响，测试了其在不同幅值谐波激励力下的频响函数。通过遗传算法对连接层等效模型的四个非线性参数进行了识别，分别包括初始屈服应力、切线模量和两个形状参数，识别了参数后模型频响函数计算值与试验值的误差在10%以内，表明改进后模型的准确性与可行性。改进后连接层等效模型可以用于装配结构非线性行为的预测。     

索杆结构中索滑移行为分析的有限质点法

索杆结构成形过程中,连续索在一些节点处能够相对滑移,索与节点间的连接不能按铰接简单处理,传统有限元对此类问题的求解多有不便。针对索在节点处的滑移问题,该文采用一种新型分析方法—有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点运动满足牛顿第二定律,索的滑移行为通过质点的运动来描述。该文推导了滑移索单元内力求解公式,提出了滑移索单元的判定方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了滑移索单元的正确性和合理性。     

滑移隔震结构啮合滑移周期运动的计算

本文推导了在地面谐运动下，滑移隔震结构啮合滑移运动状态周期解的理论公式，通过对试验模型加速度响应的理论计算值与实测值的对比，验证了理论解的正确性。     

基于 ADAMS 的含间隙酒瓶装箱机构优化设计

利用ADAMS分析软件,对酒瓶装箱机构的建模仿真、优化进行了分析和探讨。在此基础上,基于间隙矢量模型,建立了考虑铰接处两构件由于制造和装配误差引起的间隙运动副模型,描述了间隙运动副两构件间的相对运动关系和基于非线性碰撞接触模式的动力学约束关系,分析了运动副间隙对系统运动学及动力学特性的影响。结果表明利用ADAMS进行仿真,是研究含间隙运动副机构的一种有效方法,可为多体机构设计及动力学行为描述提供精确预测,对其他含间隙运动副机构的动力学研究具有普遍意义。     

索杆梁耦合结构分析模型及其应用研究

为了研究索杆滑动连接特性对索杆梁耦合结构受力的影响,定义了由一个通过滑动节点连接的三节点活动滑移索单元和多个两节点非活动滑移索单元组成的单元组,基于更新拉格朗日法推导了三节点直线型滑索单元几何非线性刚度矩阵,并建立了输电线路索杆梁耦合结构有限元模型。通过高压架空输电线路耐张段的非线性静力调索分析验证了耦合结构模型的可行性,探讨了耦合结构在导线发生断裂失效后的动响应变化规律及其传播特性。计算结果表明,导线静态张力与规范设计参数相差较小,可用于后续分析。考虑滑移的导线张力在导线断裂初期有短暂增加的趋势。导线断裂对邻近绝缘子和铁塔横担杆件的受力有明显的影响,且动响应的传播会导致邻近塔的导线张力增加。     

基于Iwan模型的螺栓连接结合面非线性等效模型

螺栓连接结构在机械装备中应用广泛,但进行螺栓连接结合面动力学建模时,大量的结合面接触单元会导致计算效率低等问题,因此建立其简化等效模型具有重要意义。针对螺栓连接结合面恢复力及位移的滞回特性,基于修正的离散Iwan模型,对滞回曲线离散化得到Iwan模型参数,在ANSYS中用COMBIN40、COMBIN14、MASS21单元建立其等效模型。验证等效模型在不同载荷下静力滞回特性,滞回曲线面积误差小于10%,相关性误差小于1%;对动态特性进行验证,冲击和简谐激励下的响应和接触模型吻合较好。研究结果表明,所建等效模型单元数量大幅减少,计算效率提高,可以用于复杂装配体的接触简化并计算动态响应。     

螺栓连接对基础非均匀沉降输电塔的影响研究

对传统结构分析软件分析输电塔在基础非均匀沉降工况下已经破坏,而现实中仍在正常运行的情况。首先,通过试验研究了输电塔中有代表性的螺栓连接接头特性,把试验得到的螺栓连接接头的位移-载荷关系曲线引入到输电塔的有限元模拟中,并且考虑了连接偏心的影响。其次,通过对输电塔的位移、应变和倾角的测量,给出了输电塔在基础非均匀沉降时的受力-变形特性。最后,基于ANSYS开发了滑移梁模型和偏心滑移杆模型,改进了现有的螺栓滑移引入方法,并将数值分析结果与试验结果进行了对比。研究结果表明:螺栓滑移在塔腿中产生附加内力,引起结构内力的重新分布,并且在相同载荷作用下增加了输电塔的变形量;考虑螺栓连接影响的有限元模型分析结果更加接近真实测量值;滑移梁单元模型不仅能够更好地反映输电塔的受力变形特性,而且能够降低现有的螺栓滑移引入方法的工作量。     

一种正压力随时间变化的微滑移干摩擦模型

在Csaba摩擦模型的基础上发展了一种能够考虑接触面摩擦运动过程中正压力随时间变化的微滑移干摩擦模型。模型将局部微滑移运动与整体宏滑移运动进行了结合,采用在每个时间迭代上逐步分析判断摩擦微元运动状态的方法来描述摩擦运动过程中的黏滞、局部微动滑移、整体宏滑移以及分离状态,能够克服Csaba摩擦模型只能描述局部微滑移摩擦力、并且正压力分布不变的不足。对单谐波和多谐波外力作用下无分离状态及存在分离状态的干摩擦力进行了模拟。计算了凸肩阻尼结构模拟叶片在复杂激励下的非线性振动响应,研究了系统参数对干摩擦阻尼减振效果的影响,为工程中研究具有干摩擦阻尼结构叶片的接触面摩擦力提供了理论依据。     

基于指数摩擦力模型滑移隔震结构的动力特性

基于指数摩擦力模型,本文利用预估校正的数值积分方法计算滑移隔震结构的动力响应,分析了地面谐运动下结构的加速度传递率及基底滑移率随频率比的变化规律,并发现滑移隔振结构的振动有振幅跳跃、基底爬行等非线性动力特征。     

沉管隧道接头力学模型及刚度解析表达式

接头刚度是表征沉管隧道接头性能的最重要参数. 目前沉管隧道接头刚度的取值既无现成的解析表达式或图表可循, 也无接头力学性能试验数据支持. 该文根据接头构造设计特点提出力学假定, 将接头GINA止水带抽象为弹簧, 接头板则假定为不产生挠曲变形的刚性板, 在此基础上建立了接头的力学模型. 根据受力平衡方程和变形协调方程, 推导出接头刚度的解析表达式. 通过与所设定的接头三维精细化基准模型在相同设计参数下的结果对比, 验证了接头力学模型及刚度解析解的合理性. 最后应用该力学模型进行了接头参数敏感性分析, 预测了各种因素对接头刚度的影响规律.     

THE EFFECT OF FINAL FRICTION COEFFICIENT ON FRETTING FATIGUE WAVEFORMS

Abstract— The waveforms of the frictional forces and the relationship between the frictional forces and the applied forces are derived for a fretting fatigue model in which the coefficient of friction is not constant. This study is a continuation of a previous one in which it was assumed that the coefficient of friction was a constant. In this new model it is assumed that the coefficient of friction between the rubbing surfaces is initially zero and slowly increases to a constant value during the early cycles of the fatigue life. The consequences of this change are examined and the results from the two models compared. It is observed that the two models give different frictional forces if the deformation of the surfaces is elastic, but are identical when non-linear macroslip occurs on both loading and unloading.     

基于模型修正的螺栓连接板结构动力学建模方法

螺栓连接板结构是飞行器结构中应用最为广泛的可拆卸固定结合部之一。该文针对螺栓连接板结构的动力学建模展开研究:基于薄层单元理论建立螺栓连接板结构的动力学等效模型;采用固有频率误差和模态置信准则残差的加权和作为修正薄层单元材料本构参数的目标函数,并利用水循环算法对待修正参数进行全局修正;以一个双边固支五螺栓搭接板结构的动力学建模为例,来验证该文提出方法的可行性和鲁棒性。结果表明,采用该文提出的方法建立的螺栓连接结构的动力学预示模型能够准确地表征其动态特性,并且具有良好的抗噪性。     

考虑静动力学特性的材料结构一体化多目标优化设计

针对复合材料微结构的内部构型和宏观排布的可设计性,以结构基频最大和柔度最小加权系数为目标,将微结构设计和多尺度计算结合,建立了考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计模型,实现了相应的算法和算例.方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量,采用RAMP(Rational Approximation ofMaterial Properties)方法对密度进行惩罚,利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系,通过规一化目标函数有效避免了不同性质目标函数的量级差异.通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律.研究结果表明:该方法是有效的,可作为对轻质结构进行静动态多目标优化设计的一种新方法.     

考虑两类装配式节点非线性行为的框架结构响应分析

装配式混凝土框架结构在中国应用广泛,目前主要按“等同现浇”原则进行设计和结构计算。然而,由节点非线性行为不同引起的结构响应差异不可忽视。该文考虑到两类典型的装配式节点非线性行为与现浇节点的区别,研究了这些区别对框架结构地震响应产生的影响。对于效仿连接节点,由其构造形式分析了节点的受力机制,并据此解释了其与现浇节点在试验现象上的差异,提出了两类节点无量纲化的滞回模型,并通过已有试验结果验证了所提模型的合理性。对于非效仿连接节点,从设计角度出发,系统研究了后张无粘结混合装配预应力混凝土节点的力学行为。研究内容采用动力时程分析方法,从结构位移响应、梁柱延性需求、残余变形等方面揭示了装配式框架与现浇框架的差异。该文的研究结果对装配式框架结构在高地震烈度区的应用具有实用的参考价值。     

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。     

基于环境激励的钢管混凝土拱桥工作模态识别及修正

为了对已经运营多年的钢管混凝土拱桥结构的抗震性能进行验算和评估,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,建立其用于抗震分析的初始有限元动力模型,利用设置在拱桥上的健康监测系统,在环境激励下,采用FDD法对实际结构的工作模态进行识别,依据识别结果采用零阶近似法对初始有限元模型进行了修正。通过模态识别到模型修正的途径,可以将健康监测系统与抗震分析联系起来,为抗震分析提供一个基于实际状态的更为准确的动力分析模型。结果表明:FDD法可以准确识别出钢管混凝土拱桥的前5阶模态,具有良好的识别效果;主拱肋、稳定拱、吊杆、横撑和主梁所对应的材料特征值在修正前后的变化量为8。77%~10。21%,对结构动力特性有显著的影响;采用零阶近似法对模型进行修正后可以得到满意的结果,计算频率与实测频率的误差可缩小至0。11%~3。76%,修正后的模型能更为准确的体现实际状况,从而可以对已运营多年的桥梁结构做进一步抗震验算和评估。     

隔震高层结构的悬臂梁模型的地震反应研究

对底部隔震悬臂梁的地震等效作用和效应进行了研究。水平力作用下具有弯曲型侧移曲线的悬臂梁在动力特征上与高层结构接近,隔震悬臂梁可作为隔震高层结构的一种等效的简化模型。采用伯努利-欧拉梁理论推导出底部隔震悬臂梁的周期和振型,利用振型反应分解谱法分析隔震悬臂梁的地震效应,研究隔震前后各振型的等效地震作用的变化。研究发现隔震高层减振的主要原因在于调整了各振型对内力的贡献比例,延长了高阶振型的周期,从而降低高阶振型的影响,实现减振的目的;隔震对结构上部和底部作用也不同,且对剪力影响大于弯矩;隔震层刚度越弱,对高阶振型的抑制作用越明显,隔震后与隔震前1 阶振型的周期比大于1.4 可取得较好的隔震效果,规则的隔震高层结构可只采用2 个振型计算。     

沉管隧道地震响应的三维非线性数值模拟方法及应用

介绍了沉管隧道的传统抗震分析方法,针对上海某沉管越江隧道的非线性地震响应问题,提出了基于显式有限元和高性能计算上的大规模数值模拟仿真方法。建立了包括地基土、沉管隧道以及柔性接头在内的全三维分析模型,单元数和节点数均超过百万。充分考虑到土壤、橡胶等多个对象的材料非线性,以及土体-沉管间、柔性接头-管段间的接触非线性因素,最后利用动态显示算法及其关键技术进行了基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果描述了地基土-沉管隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和整体变形,同时对沉管及柔性接头等关键部位进行了深入分析,从而为沉管隧道的抗震设计研究提供参考。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。