非比例阻尼线性结构体系动力分析的拟力实模态叠加法

对于非比例阻尼线性结构体系,利用体系无阻尼实模态来形成模态响应方程时,得到的模态方程组是关于模态阻尼矩阵耦合的。非比例阻尼可以分成两部分:耗散能量的比例阻尼和转换能量的非比例阻尼。基于这种概念,本文采用了一种拟力实模态叠加法来求解非比例阻尼体系的动力分析,即把前述耦合模态方程中代表非比例阻尼的耦合项作为虚力,放到方程的右端,再运用迭代法进行求解。这种方法综合了经典模态叠加法和拟力法的优点。数值算例表明,此方法具有很好的收敛特性,所得结果精度高。我们认为,这种方法可应用于实际工程分析。     

两种模态理论时域解的数学关系

当阻尼满足一定条件时,一个有阻尼的n个自由度的线性振动系统在其主空间的运动仍可解耦。解决以上系统的振动问题的理论和方法被称之为实模态理论。若振动系统的阻尼不满足解耦条件,则研究此类问题的理论和方法被称之为复模态理论。在讨论这两种理论的兼容性的时候,则多是在频域内从传递函数出发去认识它。事实上,我们也可以在时域内,从具有一般阻尼的n个自由度的线性振动系统的状态方程出发,借助于一阶线性微分方程组的exp(At)形式解和矩阵函数理论来进一步认识两种模态理论的     

两自由度系统气弹响应特性研究

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)离散时间气动模型,计算了有无结构阻尼的薄平板在均匀流中分别受单自由度或两自由度(同时)初始位移激励下的系统气弹响应,分析了气弹位移及气动力时程特征及相互关系。研究表明:任意一个自由度的激励将激发起系统两个自由度方向的振动;低折算风速下,气动耦合项作用很小,气动力能对气弹系统产生气动正阻尼作用,且产生的竖弯气动阻尼大于扭转气动阻尼。研究还表明:系统任意一个自由度方向的气弹位移响应,以及升力或扭矩时程均有系统两个振动模态参与。气弹系统以某一系统频率发生的振动,是一个自由度方向的主运动和另一个自由度方向的耦合运动以一定的参与程度组合形成的牵连运动。     

基于实模态的非比例阻尼体系复模态叠加法

为提高非比例阻尼体系强迫振动时复模态叠加法的计算效率,基于模态摄动法基本原理,提出一种利用无阻尼体系实模态的复模态叠加法。该方法由模态摄动法将非比例阻尼体系的复模态表示为实模态线性组合,在此基础上,建立了强迫振动复模态叠加法的实模态的线性组合解。以一个带附加阻尼的强非比例阻尼三层框架结构为例进行地震反应分析,计算结果表明当附加实模态数不小于8 时,模态摄动法所得的特征值误差小于2%;在复模态叠加法模态截断方面,基于累积振型参与质量和累积振型贡献系数所得的模态数偏少,建议采用首层平动的累积振型加速度贡献系数作为模态截断的依据,此时,复模态叠加法所得水平位移的峰值误差小于10%,累积误差小于15%,显示了良好的计算精度;且该方法的计算时间小于基于状态空间法的复模态叠加法。以一个钢结构框架办公楼地震反应分析为例,验证了该方法的适用性。综合来看,对于强非比例阻尼体系,强制解耦的实模态叠加法计算误差较大,而该方法可兼顾计算效率与精度。     

斜拉桥拉索模态耦合非线性共振响应特性

考虑拉索垂度及几何非线性的影响,导出了斜拉索的面内外耦合非线性振动方程。通过Galerkin方法,将偏微分方程化为常微分方程,用多尺度法对耦合方程求解,得出了面内外一阶模态耦合振动特性。对典型斜拉桥拉索进行了计算,结果表明:拉索可能产生1:1内共振,共振频率区间及振动幅值与索的垂度大小有关;索内阻尼对共振特性也有较大的影响;由于非线性的影响,响应幅值与初始条件有关。     

附连水质量对结构动力响应影响的摄动分析

从理论上讲，考虑附连水质量后系统的固有模态不再使运动方程解耦，此时水弹性结构相当于非比例阻尼系统。本文提出了一个摄动分析方法，从数学上对结构运动方程进行了较严格的求解，它把一个非比例阻尼问题转化成一系列比例阻尼问题迭加的形式，同时文中给出了结构在简谐荷载和任意荷载两种情况下的响应计算公式，并对所给方法的收敛性进行了研究，给出了相应的收敛条件。文末用所提出的方法对真实的海洋平台位移响应进行了分析，计算结果表明，本方法具有精度高、收敛速度快的特点。     

主动约束层阻尼圆柱壳动力学分析的新传递矩阵法

基于作者最近导出的被动约束层阻尼(PCLD)圆柱壳的一阶整合矩阵微分方程,结合压电材料本构关系和比例微分负增益反馈控制策略(PD),建立了一种求解主动约束层阻尼(ACLD)圆柱壳动力学问题的新传递矩阵方法。提出的ACLD圆柱壳的一阶矩阵微分方程,采用了简化的机电耦合模型。通过对ACLD圆柱壳自由振动及其在地震激励作用下的动力学响应分析,表明ACLD圆柱壳的阻尼特性和减振效果相对于PCLD圆柱壳具有明显优势,并且发现采用周向分块敷设ACLD,且施加与结构变形中的占优模态相匹配的控制电压分布方式对地震激励的抑制效果更好。     

考虑索间作用的斜拉桥耦合振动研究

为了研究几何非线性条件下斜拉桥索梁耦合振动与索间作用问题,以两条斜拉索与简支梁组合体系为简化模型,利用D’Alembert原理建立考虑初始垂度的索梁体系非线性偏微分方程,设定索的前两阶复合振动模态与梁的基本模态,运用Galerkin方法将其离散为二阶常微分方程,并使用四阶—五阶Runge-Kutta方法对索与梁的振动响应进行了数值分析。结果表明:在双索单梁组合结构中,特定频率条件下一阶模态与主梁强烈耦合,二阶模态与主梁小程度耦合;与单梁单索结构相比,多索导致主梁频率增大,索间作用使得索振幅增大、拍频降低,面内一阶模态对索梁变化更敏感;当索梁频率不变时,索间作用对耦合振动产生的索大幅振动有明显抑制作用,且索梁结构对主梁初位移变化更敏感。     

具有弹性耦合结构振动系统的自由界面模态综合法

本文给出了以弹性连结件为耦合件的振动系统自由界面模态综合技术,把弹性连结件定义为“软子结构”单独处理,其余部件自然划分为若干子结构。利用有限单元法获取各子结构自由界面模态信息,用子结构的截断主模态及其高阶剩余柔度修正项作为结构 RayLeigh-Ritz 分析的假设模态,从而大幅度压缩了结构分析自由度。实例计算表明,该方法具有良好的综合精度,是分析具有弹性耦合结构振动问题的有效方法。     

风与结构的耦合作用及风振响应分析

在目前的风振响应计算中,往往不考虑风与结构的耦合作用。但对于超高层建筑、高耸塔桅结构,由于基频较低,风与结构的耦合作用不可忽略。本文基于准定常假定推论出风与结构的耦合作用实质上就是气动阻尼效应,因此只要在阻尼常数中引入气动阻尼,就可建立考虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法。文中采用拟单自由度法,确定了风与结构耦合作用所产生的气动阻尼。并对一工程实例进行了风振响应计算,比较了采用Davenport谱和Kaimal谱对计算结果的差异性,与风洞试验结果相对比表明,采用Kaimal谱并考虑风与结构的耦合作用所得计算结果能与风洞试验结果吻合较好。     

基于复模态的结构有限元动态模型修正理论

本文首先基于对阻尼的理解以及振动系统为实模态的一组充分必要条件，提出了用于复模态结构修正的恰当的阻尼模型和阻尼误差模型，进而结合复振型正交条件给出了修正模型及计算方法，并总结了这一方法的优点。     

变高度悬臂箱梁剪力滞效应的半解析解EI北大核心CSCD

以等截面Euler梁的自由振动模态为Ritz基函数,提出了一种求解变高度箱梁剪力滞微分方程组的Ritz法。该方法首先进行与箱梁相同跨度相同边界条件等截面欧拉梁模态分析,然后将箱梁的竖向挠度和剪切转角用模态及其导数的线性组合来表达,从而将变分法所得箱梁剪力滞微分方程组转化为线性代数方程组进行求解。在此基础上,研究了参与计算模态阶数和截面高度变化率对计算误差的影响,算例分析结果表明:箱梁高度变化越大,Ritz法的收敛速度越慢;但随着参与计算模态阶数的增加,Ritz法将收敛到解析解。采用12阶以上模态进行计算,所得的剪力滞系数误差小于5%。     

变高度悬臂箱梁剪力滞效应的半解析解

以等截面Euler梁的自由振动模态为Ritz基函数,提出了一种求解变高度箱梁剪力滞微分方程组的Ritz法。该方法首先进行与箱梁相同跨度相同边界条件等截面欧拉梁模态分析,然后将箱梁的竖向挠度和剪切转角用模态及其导数的线性组合来表达,从而将变分法所得箱梁剪力滞微分方程组转化为线性代数方程组进行求解。在此基础上,研究了参与计算模态阶数和截面高度变化率对计算误差的影响,算例分析结果表明:箱梁高度变化越大,Ritz法的收敛速度越慢;但随着参与计算模态阶数的增加,Ritz法将收敛到解析解。采用12阶以上模态进行计算,所得的剪力滞系数误差小于5%。     

充液贮箱液固耦合振动模态与阻尼比研究

对于液体运载火箭纵向振动的稳定性分析,在建立贮箱内液体的振动模型时,不仅需要考虑结构的弹性特性,还需要考虑液体晃动时的阻尼特性。由于模态阻尼比与一个振动周期内阻尼力做功、平均机械能及模态固有频率相关。因此可以先通过结构与液体的耦合振动分析确定其模态,进而分别计算液体与结构接触面、自由面以及液体内部阻尼力做功,同时计算平均机械能,从而得到模态阻尼比。在计算模态阻尼比时,对耦合振动的模态分析、液体内部流场计算均采用等效比拟的方法,为充分利用通用程序计算创造了条件。此方法不仅能够提高效率,同时也便于工程上的应用。     

关于线性和非线性系统内在的本质联系——多自由度非线性系统的定量和定性分析

多自由度非线性振动问题是历史性国际难题,其求解方法有数值解和渐近解析解或两者结合.基于近代有限元和子结构模态综合法的动力学建模方法,获得非线性系统动力学微分方程,其自由度几乎没有限制,对左端首次近似齐次方程进行模态分析,选取对响应有贡献的部分本征对,同样对右端激励和非线性伪力作模态变换,得到减缩后非线性系统耦合动力学微分方程.用数值方法求出系统非线性响应进行定量分析,也可获得在指定参数的变动中可能发生的主谐、超谐、亚谐和组合共振,极限环和分岔、混沌等各种非线性振动现象,但其缺点是不能作一般性定性分析.渐近解析解可进行分岔混沌现象的定性分析,但迄今只限于单、两自由度系统.若系统进入共振状态,系统响应相应急剧增加到大振幅振动,振动从微幅线性振动过渡到大幅非线性振动,因之系统运动主要由所涉及的各阶单一主模态所控制.这可称为"单模态共振理论".当发生共振时,单模态理论可把多自由度系统变换为解耦的多个单自由度系统,因之可采用渐近解析法逐个进行分岔混沌等定性分析,这就克服了高自由度非线性系统定性分析的困难.为了剖析线性和非线性系统内在的本质联系,论证了首次近似表征线性系统特性的主模态是沟通线性振动和非线性振动之间的桥梁,揭示了高自由度线性振动和非线性振动都是以线性主模态呈现其运动规律.     

粘弹阻尼结构频响函数计算的高精度模态展开法

本文建立了粘弹阻尼结构频响函数计算的高精度模态展开法。文中表明,用模态展开法计算粘弹阻尼结构的频响函数,只取少数低阶振动模态时,计算误差较大。本文用低阶振动模态和系统矩阵,表达高阶振动模态和蠕变模态对粘弹阻尼结构频响函数的贡献,修正计算误差。该方法可以显著提高计算精度,对计算量的增加不大。文中给出算例,表明了本文提出方法的正确性和有效性。     

考虑阻尼材料频变特性的结构响应计算方法

为了对附加阻尼结构的振动响应进行准确计算,提出了一种考虑阻尼材料频变特性的结构响应计算方法,可以准确提取附加阻尼结构的模态参数并计算振动响应。阻尼材料的材料属性会受到激励频率的影响而变化,导致附加阻尼结构的建模和振动响应计算不够精确;因此在传统模态应变能法的基础上,建立了考虑材料频变特性的改进模态应变能法,提取了复合结构的模态参数,并通过模态试验验证了所提取模态参数的准确性;并在振动响应计算中准确计入了模态参数,对比了测试点在仿真和试验中的加速度频响曲线,验证了响应计算方法的准确性。结果表明该方法可以准确提取附加阻尼结构的模态参数,并能在一定频段范围内准确计算其振动响应。     

大型结构安装TMD后的简谐强迫响应数值解

对于有正交阻尼特性的大型结构在安装TMD系统进行减振后,新生成的组合系统将失去正交阻尼特性,从而难于用实模态进行解耦降阶。本文提出一种直接解法,利用原结构的实模态,精确迅速地计算组合系统的强迫振动。     

大跨斜拉桥Rayleigh阻尼系数约束优化解

进行大跨桥梁地震反应分析时以结构位移反应峰值误差为目标函数,建立求解Rayleigh阻尼系数的优化分析方法。考虑基频模态为结构动力反应的最显著贡献模态,以基频模态阻尼比等于精确值为约束条件,形成求解Rayleigh阻尼系数的约束优化方程;以840 m长斜拉桥为例分析Rayleigh阻尼系数随优化计算模态数及参考自由度变化规律。与传统Rayleigh阻尼比较,讨论不同阻尼模型对结构位移、内力计算误差。数值计算结果表明,该方法可有效降低位移、内力计算误差,避免人为选择参考频率所致任意性,适合工程结构计算与分析。     

阻尼结构叶片强迫振动响应分析的改进时频域融合算法

为有效地分析阻尼结构叶片系统的动力学特性,本文对计算非线性动力学系统响应的时频域融合算法进行了改进。引入快速抗混迭傅立叶变换,提高时域与频域间转换运算的精度,减少计算时间;针对阻尼结构叶片系统的局部非线性特点,对线性自由度进行减缩,将迭代求解控制在仅和非线性相关的自由度范围之内;采用混合遗传算法改善计算收敛性。使用改进的时频域融合算法对某真实燃机叶片的非线性强迫振动响应进行了分析。在一定的参数条件下,改进的时频域融合算法计算时间为原算法计算时间的 ,且精度误差不超过 。研究表明：改进的时频域融合算法能够适用于复杂摩擦接触下阻尼结构叶片的振动响应计算。