应用动力单元法进行空间索网结构自由振动分析

索网结构具有成型跨度大而结构重量轻的优点,因此在空间航天领域得到了广泛应用。目前对索网结构的动力学分析主要是采用集中质量法或有限单元法进行低阶模态的分析,这些方法得到的较高阶频率和模态,其精度和实用性都不理想。动力单元法采用含有固有频率的动态形函数作为动力学分析离散单元中的插值函数,该形函数由单元动力学控制微分方程导出,因此能给出比有限元法更高的求解精度。在总结研究动力单元法理论的基础上,推导了张紧索单元的动力单元矩阵。采用动力单元法对几个典型的空间张紧索网结构进行动力学特性的分析,并将分析结果与传统有限元分析结果进行比较。     

城市高架匝道桥部分隔震体系地震响应分析

针对城市高架匝道桥,提出仅在矮墩上设置隔震装置的部分隔震设计方案。以上海嘉闵高架某直线匝道桥为例,系统对比了完全延性、完全隔震与部分隔震体系下的结构地震响应。结果表明,相比完全延性设计,将固定墩改为活动墩的部分隔震设计,能有效降低纵向固定墩的地震强度和变形需求近70%,减小过渡墩伸缩缝的变形需求约21%~34%,降低主梁横向的地震动加速度约20%~39%;同时相比完全隔震设计,在墩底内力响应、支座变形以及伸缩缝变形方面基本相当。此外,固定墩改为活动墩的部分隔震设计,相较仍设固定墩的部分隔震设计,能显著降低纵向固定墩的地震响应以及主梁的纵向地震加速度近56%与38%,具有相对更优的性能。     

考虑碰撞效应的大型渡槽结构地震响应分析

摘 要：针对渡槽在地震作用下伸缩缝处的碰撞现象,建立考虑碰撞效应的渡槽动力分析模型,用非线性地震反应时程分析方法,研究了纵向地震作用下的碰撞效应对于渡槽地震响应的影响,分析比较了单边碰撞与双边碰撞对渡槽地震响应的影响差异,结果表明碰撞对渡槽结构的地震响应状态有所改变,渡槽槽身间的相对位移受碰撞的影响将减小,但碰撞产生的巨大撞击力对渡槽结构有较大危害,研究结果对大型渡槽结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

竖向地震作用下桥梁结构的瞬态波响应分析

竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题,考虑波动效应,应用瞬态波特征函数法求解了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析,描述了桥墩中轴向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表明,不同的竖向地震动与水平地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为：（1）接触力的变化幅度增大,出现更大的接触力,加剧支座的损坏可能性;（2）出现了更低的接触力,甚至零接触力,大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性;（3）使原本整体处于受压状态的桥墩中出现了拉应力,拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度,并使桥墩出现了拉-压交变应力,使得桥墩底部处于恶劣的应力状态;（4）桥跨中部向上的最大动挠度超过了两端,也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。     

大跨拱桥三维多点随机地震响应分析

对大跨度钢管混凝土拱桥进行三维正交地震动多点激励下的平稳随机响应分析.建立了跨径308m中承式钢管混凝土拱桥的精细有限元模型,采用多维多点平稳随机地震响应分析方法,数值仿真了该拱桥在一维P波、一维SH波、一维SV波多点激励下的地震响应以及考虑互谱的三维多点激励地震响应,研究了三维地震动、行波效应和部分相干效应对拱肋内力的影响.数值分析结果表明:考虑地震动的空间效应对拱肋内力有很大改变,地震动的行波效应对拱肋内力的影响比部分相干效应的影响更大,三维地震作用比单维地震作用的拱肋内力有较大增幅.对大跨度钢管混凝土拱桥,必须进行多维多点地震激励的响应分析,否则有可能严重低估结构的地震设计内力.     

基于新的模态单元滤波消除地震信号中的汽车噪声

由于地震信号采集环境和采集仪器存在干扰,采集到的地震波形中通常包含很多噪声信号,严重影响了地震信号的应用。模态单元滤波（Mode Cell Filter：MCF）无需先验基函数,是一种自适应的消噪算法。本文将MCF引入到地震信号消噪中,提出了一种基于MCF的汽车干扰消除算法,并设计对仿真信号和实际信号的消噪试验。仿真试验中,MCF消噪性能优于最优小波基算法,而在实际信号消噪中,MCF算法性能优于IIR数字滤波器,与改进最优小波基方法相当。     

求解圆柱壳稳态谐响应的微分求积单元法

本文以Donnell经典壳体振动微分方程为基础,研究微分求积单元法(DQEM)在圆柱壳稳态谐响应计算中的应用。研究结果表明：微分求积单元法可较为方便的处理多种边界条件;与有限元法相比,微分求积单元法直接面向问题的微分方程,可用较少的节点获得较高的计算精度,计算效率较高。本文结果可为微分求积单元法在结构动力响应问题求解中的应用提供参考。     

考虑温度相关性的LRB隔震桥梁地震响应分析

系统的研究了铅芯橡胶隔震支座的温度相关性,以及支座温度相关性对隔震桥梁地震响应的影响。试验温度的变化范围为-40℃至50℃,通过拟静力试验的滞回曲线测定了支座在不同温度下的屈前刚度、屈后刚度和屈服剪力。根据所测得的试验数据,采用回归分析,得出了支座的温度影响相关系数函数。建立了LRB隔震桥梁的力学模型,分析了考虑支座温度相关性对隔震桥梁地震响应的影响。比较了不同温度下支座滞回的计算结果。对比分析了不同温度下,隔震梁桥墩顶剪力、梁位移和梁加速度的计算结果,得出了若不考虑支座的温度效应墩顶剪力和梁加速度会有较大的误差,而温度效应对梁位移影响较小的结论。     

铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的铁路新型钢－混凝土组合桁架桥建立了车－桥动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组合而成,以轨道不平顺作为系统的自激激励源。以西安－平凉铁路上的马屋泾河特大桥主桥为工程背景,对这种新型钢-混组合结构的车桥耦合振动进行了动力仿真分析。对桥梁在重载货车、中速客车、高速客车等不同列车荷载工况下的动力响应进行了数值计算,并对桥上车辆的走行性能进行了评价。计算结果表明：该桥式方案能够满足三种类型列车在不同等级车速范围内安全、舒适的运行,可广泛用于我国货运、普通客运及高速铁路     

水下生产系统跨接管结构在地震作用下动力响应分析

研究水下生产系统跨接管结构在地震波载荷下的动力响应特性。分析中计及了地震波沿水平和竖向两个方向的载荷输入,采用非线性弹簧模型模拟跨接管与海床的耦合作用,同时考虑了地震作用下跨接管的动水作用效应。通过对不同影响因素下结构的动力响应结果分析表明：竖向地震波对跨接管结构水平响应幅值影响较小,但显著改变其响应频率;管土接触引起跨接管响应幅值变化明显,并激发跨接管高阶振型;地震下动水作用力对跨接管的响应幅值影响较大。所建立的分析方法对跨接管结构设计和安全性评估有一定借鉴意义。     

基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于本文建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中。本文旨在为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。     

输电塔线体系断线非线性动力分析

以某500 k V高压输电线路为研究对象,建立三塔四线输电塔-线体系精细化有限元模型,在考虑跌落导(地)线与地面碰撞接触基础上,对其进行了不同断线位置以及不同断线根数的隐式非线性动力分析。结果表明:断线点位置对断线瞬间的冲击作用影响较小;断线后断线一侧张力衰减系数随着导线挂点位置增高而单调递减;未断线一侧张力衰减系数随着挂点位置增高先减小后增大;耐张塔张拉作用系数远大于直线塔;耐张塔的断线动力放大系数在1.1~1.5。在断多根线的最不利工况下研究了耐张塔的扭转破坏和弯曲破坏两种失效模式。     

FFT‐based spectral element analysis for the linear continuum dynamic systems subjected to arbitrary initial conditions by using the pseudo‐force method

In this paper, a fast Fourier transform (FFT)‐based spectral element method (SEM) is developed for the linear continuum dynamic systems subjected to arbitrary, non‐null initial conditions. In the FFT‐based SEM, the original equations of motion subjected to arbitrary initial conditions are transformed into a new set of equations of motion subjected to completely null initial conditions by using the pseudo‐force method so that the conventional spectral element analysis can be applied to obtain desired dynamic responses. A simply supported beam and a cantilevered beam are considered as the illustrative problems to evaluate the FFT‐based SEM. The dynamic responses obtained by using the FFT‐based SEM are shown to be in good agreement with the analytical solutions obtained by using the mode superposition method. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

Use of moving distributed mass element for the dynamic analysis of a flat plate undergoing a moving distributed load

This paper presents the theory regarding a moving distributed mass element, so that the dynamic responses of a rectangular plate subjected to a moving distributed mass, with the effects of inertia force, Coriolis force and centrifugal force considered, can be easily determined. In which, the property matrices of the moving distributed mass element are derived by means of the principle of superposition and the definition of shape functions, and the overall property matrices of the entire vibrating system are determined from the combination of the last element property matrices of the moving distributed mass element and those of the plate itself. Since the property matrices of the moving distributed mass element have something to do with the instantaneous position and the distribution of the moving mass, they are time-dependent and so are the overall property matrices of the entire vibrating system. Based on the last concept, the equations of motion for a rectangular plate subjected to a moving distributed mass are established and solved to yield the dynamic responses of the entire vibrating system. Numerical results reveal that the factors such as the contact area (between the moving distributed mass and the plate), moving-load speed, inertia force, Coriolis force and centrifugal force affect the vibration characteristics of the plate to some degree. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

The spectral element method for elastic wave equations—application to 2‐D and 3‐D seismic problems

A spectral element method for the approximate solution of linear elastodynamic equations, set in a weak form, is shown to provide an efficient tool for simulating elastic wave propagation in realistic geological structures in two‐ and three‐dimensional geometries. The computational domain is discretized into quadrangles, or hexahedra, defined with respect to a reference unit domain by an invertible local mapping. Inside each reference element, the numerical integration is based on the tensor‐product of a Gauss–Lobatto–Legendre 1‐D quadrature and the solution is expanded onto a discrete polynomial basis using Lagrange interpolants. As a result, the mass matrix is always diagonal, which drastically reduces the computational cost and allows an efficient parallel implementation. Absorbing boundary conditions are introduced in variational form to simulate unbounded physical domains. The time discretization is based on an energy‐momentum conserving scheme that can be put into a classical explicit‐implicit predictor/multicorrector format. Long term energy conservation and stability properties are illustrated as well as the efficiency of the absorbing conditions. The accuracy of the method is shown by comparing the spectral element results to numerical solutions of some classical two‐dimensional problems obtained by other methods. The potentiality of the method is then illustrated by studying a simple three‐dimensional model. Very accurate modelling of Rayleigh wave propagation and surface diffraction is obtained at a low computational cost. The method is shown to provide an efficient tool to study the diffraction of elastic waves and the large amplification of ground motion caused by three‐dimensional surface topographies. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于谱元法的车辆-轨道结构频域振动特性研究

基于谱元法建立车辆-轨道结构频域振动模型,其中轨道结构模拟为三层铁木辛柯梁,车辆部分考虑为整车模型,运用Lagrange方程实现车辆与轨道结构的耦合,并采用虚拟激励法将轨道不平顺模拟为虚拟荷载,通过求解车辆-轨道整体结构的谱元法方程,得到车辆-轨道结构在频域内的振动响应.结果表明:钢轨、轨道板和底座板的第一、二、四阶振...     

A spectral stochastic element free Galerkin method for the problems with random material parameter

This paper presents a spectral stochastic element free Galerkin method (SSEFGM) for the problems involving a random material property. The random material property and resulting system response quantity are represented by a probabilistic spectral expansion techniques (Karhunen–Loeve expansion and Polynomical Chaos series, respectively) and implemented into the element free Galerkin (EFG) analysis. Numerical solutions in 1D linear elastic problem with random elastic modulus are introduced, and compared with those of Monte Carlo simulation (MCS) so as to provide the validation of the proposed approach. The present SSEFGM approach can produce a probabilistic density distribution as well as a first‐ and second‐order statistical moments (mean and variance) of response quantity by a single calculation, which is distinguished from an iterative MCS. Moreover, the method is based on an element free analysis so that there is no need of nodal connectivities, which usually require more time and labourious task than main calculations. Thus the proposed SSEFGM approach can provide an alternative analysis tool for the problems contains a stochastic material property, and demands complex mesh structures. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于小波有限元法的连续梁移动荷载识别

将待识别车载简化为移动荷载投影到小波空间;车载所作用的连续梁模型以小波尺度函数为插值函数,以小波有限元法为建模方法,并通过单元转换矩阵实现了小波空间向物理空间的变换;采用部分加速度信号作为测得动响应数据,据此积分求出速度与位移响应并用于识别移动荷载。识别方法则借助了动态规划法与正则化法,避免了时程分析中的振荡现象。仿真算例验证了小波有限元用于连续梁模型移动荷载识别的可行性,且单元数较少;识别过程中所用一阶Tikhonov正则化法具有平滑去噪能力。     

基于有限元的异步电机电磁振动分析

电机的电磁振动是电机电磁场与机械结构耦合的结果,要研究电机的电磁振动,需要将电机的电磁场和结构振动分析结合起来。通过有限元软件,采用一种弱磁-固耦合的方法,对异步电机的电磁振动特性进行分析。首先利用ANSOFT有限元软件建立异步电机的二维有限元模型,计算电机的瞬态电磁场,得到电机在给定转速稳态运行状态下的磁场分布和作用在定子上时变的电磁力;其次用ANSYS有限元软件建立异步电机结构的三维有限元模型,将ANSOFT软件得到的时变电磁力进行频谱分析并校正,然后施加到电机上,计算出电机结构的电磁振动响应。基于对电机电磁振动特性的分析,可以对电机的电磁参数和结构进行改进和优化设计,以降低电机的电磁振动