基于振动理论的索力求解的一个实用计算公式

将固支欧拉梁的振型函数作为两端固结拉索的振型函数,运用能量原理,推导该类拉索的索力实用计算公式.根据频率特征方程的解随频率阶次的变化规律,引入频率阶次参数,化简实用公式并将其与两端简支拉索的计算公式统一起来,从而建立了一个形式简单、所需计算参数少而又具有较高精度的索力计算公式.使用该公式可在测试现场快速、方便、准确地识别出不同长细比、抗弯刚度、边界条件拉索的索力.     

变化外形的水线对斜拉索风雨激振的激发作用

讨论变化外形的水线对斜拉桥拉索风雨激振的激发作用.首先,建立考虑水线外形变化的斜拉桥拉索风雨激振计算模型,并将由采用变化水线外形的模型得到的拉索最大振幅与固定水线外形模型的计算结果及试验实测结果对比,对模型进行验证;在模型得到验证的基础上,进一步讨论拉索和变化水线外形的水线振动稳定性及水线对拉索风雨激振贡献.计算结果表明,在四个典型工况下,考虑水线外形变化的模型得到的拉索计算振幅固定水线外形模型能更好地与试验实测振幅吻合;理论分析发现拉索速度和水线速度的耦合作用对水线运动的激发起到主导作用;水线的加速发散发生在拉索大幅激振之前.没有水线加速发散的时程中,拉索均不发生大幅激振.     

FREE VIBRATION OF TAUT CABLE WITH DAMPER AND PARALLEL SPRING

分析了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的自由振动特性,由系统的运动方程及边界条件 得到其复特征值方程。进一步研究了系统的极限解,由此讨论了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的模态变化分区现象。以拉索-并联弹簧-阻尼器系统的二阶模态解为例,给出了模态频率和阻尼比的变化分布区间及其对应振型的变化情况。讨论了系统分区中存在的模态交叉现象;同时也讨论了斜拉索垂度对于一阶振动模态变化规律的影响。研究表明拉索-并联弹簧-阻尼器系统的振动模态演化因并联弹簧-阻尼器的位置不同而存在的明确的分区现象;安装并联弹簧和阻尼器后拉索的模态阻尼比和模态频率均可明显提高。     

不同边界条件下拉索振动的主动控制研究

拉索由于质量轻、柔性大、阻尼小,在风荷载作用下,容易产生横向振动.一般情况下,想要通过安放在拉索锚座附近的被动、半主动控制装置来抑制这种振动有一定的困难.而在拉索的锚座处沿拉索轴向实施主动控制却是一种很好的方法.由于某些情况下拉索的抗弯刚度对振动频率有一定的影响,本文在考虑拉索抗弯刚度的基础上,建立了不同边界条件下拉索振动主动控制模型.本文通过线性二次型最优控制(LQR)策略对拉索振动实施了主动多模态控制仿真分析.计算结果表明,轴向主动多模态控制能够有效地抑制拉索的振动.     

损伤拉索的等效弹性模量及其参数分析

损伤拉索会出现线形松弛、应力水平降低的情况,必然会影响拉索的等效弹性模量。本文首先引入损伤程度、位置及范围3个参数,用以描述拉索损伤形态的特征,建立损伤拉索索力和线形计算公式,采用数值方法计算了损伤拉索弦向等效弹性模量精确数值,并和经典的等效弹性模量公式的计算结果进行了比较分析,分析了考虑损伤时两种不同计算方法结果的误差。计算表明,对于500m弦向长度以内的损伤拉索,拉索的弦向长度Lc越大,倾角越小,等效弹性模量的损失越大,并且应用割线模量公式计算的误差也越大,当Lc=500m时,损伤拉索相对误差值在2.5%~4.5%之间。弦向应变越小,等效弹性模量损失越大,弦向应变在[0.001,0.004]内,应用割线模量公式计算的相对误差小于3.5%。损伤程度及损伤范围对引用等效弹性模量公式的误差影响较大,倾角对等效弹模公式相对误差的影响也不容忽视。弦向长度、弦向应变、倾角和损伤程度参数都是通过改变拉索的松弛程度进而影响等效弹性模量的数值以及公式的误差。     

具有随机拉索刚度的预应力钢桁架随机内力摄动分析

本文在建立拉索式预应力钢桁架基本计算理论的基础上，考虑到拉索刚度的随机性，推导了拉索式平面预应力钢桁架随机内力摄动分析的一般公式及敏度分析式，并给出了算例。为进一步进行预应力钢桁架可靠性分析奠定了基础。     

弹性体系自由振动频率及振型的一个算法

结构的自由振动频率及振型计算,在工程设计中是经常遇到的。如进行结构的抗震设计时,地震力计算,首先要算出自振频率及振型,而后进行地震力分析,而前者的计算量甚大。本文提供一个算法,它的过程比较简单规则,且收敛稳定性好,可进行高振型计算,     

振型叠加法合理振型数目的确定

振型叠加法是常用的动力时程分析方法之一,参与计算的振型数目是影响该方法精度的重要因素。本文揭示了确定振型参与数目的质量参与系数法、振型位移控制法的数学背景及物理含义,分析了两者存在的不足。通过推导振型截断误差估计公式,提出了更合理的确定振型数目范数形式的方法。这种方法基于严密的理论推导,适用于任意动力荷载形式。计算结果表明,振型位移控制法所确定的振型数目过大,质量参与系数法提供的振型数目偏少,而本文方法更有优势。     

巨型钢框架--拉索支撑结构中拉索的抗侧机理

研究巨型钢框架-拉索支撑结构中预应力拉索的抗侧机理,为确定拉索参数提供理论依据. 基于预应力的作用形态及力学原理分析得到预应力拉索的抗侧机理,推导了预应力拉索抗侧刚度理论公式. 从模型试验的角度进一步研究,将模型试验的结果与理论推导及数值分析的结果进行对比分析,最终验证了预应力拉索的抗侧机理：预应力为柔性拉索建立轴向刚度和稳定性,使预紧过的拉索既可承受拉力,也可承受压力,从而为结构提供弹性约束支撑.     

斜拉桥三维拉索风雨激振准两自由度模型

拉索风雨激振是当前桥梁工程和风工程界非常关注的研究课题。过去用于测量带人工水线的拉索模型都是二维的，所建立的理论模型也是建立在二维拉索气动力的基础上的。本文基于带人工水线三维拉索模型试验得到的气动力，建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动微分方程，讨论了运动方程中各种参数的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。计算结果和三维拉索人工降雨试验结果的对比表明，本文方法能较好地描述三维拉索风雨激振的特征。     

海洋电缆中关键力学问题的研究进展与展望

海洋能源是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋电缆是连接海洋能源生产系统各设施的能源传输、生产控制的关键装备之一, 被誉为海洋能源开发的“生命线”. 如何设计海洋电缆能够抵抗极端海洋灾害, 同时满足安装、服役中弯曲柔顺性的要求, 实现“刚柔并济”的结构性能, 是海洋能源开发领域亟待解决的核心难题. 本文围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点, 全面总结了海洋电缆设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展. 首先, 针对海洋电缆结构的理论分析, 阐述了拉伸、扭转和弯曲刚度的基本理论以及拉扭耦合和非线性弯曲行为研究进展. 其次, 介绍了数值仿真方法在海洋电缆工程中的应用, 特别介绍了海洋电缆数值分析专业软件方面的研究成果. 再次, 探讨了海洋电缆多场耦合分析、结构优化设计和疲劳寿命的计算方法. 最后详细介绍了海洋电缆结构的实验测试技术和测试装备. 本文通过对海洋电缆研究方法和研究热点的详细综述, 揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点, 并展望了海洋电缆未来发展的主要技术需求和研究方向. 上述工作对海洋电缆在我国海洋油气能源开发中的高可靠性工程应用提供了基础理论和技术参考.      

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

确定斜拉桥索力的有约束优化方法

本文建立了斜拉桥索力调整的非线性规划模型,其中以斜拉桥梁和索塔的拉压及弯曲应变能为目标函数,以结构的位移,弯矩及索力为约束,采用梯度投影法进行求解用以确定成桥合理状态的索力。     

空间机械臂柔性捕获机构建模与实验研究

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.      

DYNAMICS MODELING AND EXPERIMENT OF A FLEXIBLE CAPTURING MECHANISM IN A SPACE MANIPULATOR 1)

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.     

Numerical Fluid Flow Analysis for Aerodynamic Response Characteristics of Tandem Circular Cylinders

The aerodynamic characteristics of tandem cables of cable-stayed bridges have become an increasingly serious problem with increments in span length. In order to reduce the construction cost and maintenance of cables, tandem cables have been adopted for cable-stayed bridges. These cables, however, have aerodynamic response characteristics such as wake-galloping. Therefore, a method to suppress wake-galloping in tandem cables is required. The purpose of this study is to investigate the characteristics of the wake-galloping phenomenon of tandem cables of cable-stayed bridges using numerical fluid flow analysis. The flow around the oscillating tandem circular cylinders modeled on tandem cables is calculated. The flow field is treated as an incompressible viscous flow. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is employed to solve the flow field around the cylinders, and the three-step Taylor-Galerkin method, which is based on a fractional step finite element method, is adopted for discretization.     

斜拉桥拉索在轴向窄带随机激励下的振动响应

导出了拉索在考虑垂度以及索张力沿索长变化时的参激随机微分方程,进一步给出了预测拉索在窄带随机激励下响应的近似理论解------用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解. 以南京长江二桥约330米长的A20拉索为研究对象,对以上高斯闭合解和一阶非高斯闭合解进一步进行数值求解以获得拉索的响应,并采用Monte-Carlo数值方法对求解进行验证. 分析了拉索振动的一般特征,特别分析了激励中心频率和拉索频率比为1和2时的响应随激励带宽的变化特征,得到了一些新的结论.      

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

相近参数拉索的同/异步振动特性研究

辅助索被认为是一种具有潜力的减振手段,但仅在拉索间发生异步振动时才能取得良好的效果．然而,目前对拉索同/异步振动机理尚缺乏系统研究,为此对双水平索进行了模型试验研究．试验主要关注两根不同垂跨比水平拉索跨中面内响应的相位关系．首先对模型进行不同激励频率和保持激励幅值不变下的振动测试,发现垂跨比相同时,两根索相位差基本保持一致;垂跨比不同时,两根索由同步振动转为异步振动．同时采用有限元软件模拟测试实验,其结果与实验吻合良好．为更进一步探究其机理,对试验模型进行了相同激励幅值下的扫频试验．通过对双索幅频特性和相频特性的分析,发现拉索相近参数导致共振区错位是双索存在异步振动现象的根本原因．     

A procedure for the static analysis of cable structures following elastic catenary theory

The paper proposes an unitary strategy for the static analysis of general cable nets under conservative loads. A form-finding is first performed in order to initialize the successive non linear analysis. The numerical procedures carried on in both steps, form finding and structural analysis of the net, employ a three dimensional elastic catenary element. Equilibrium conditions at internal nodes and kinematic compatibility at the end nodes of each cable are used to derive the global equations of the net. When the pre-stresses are high and the topology of the net is involved, an accurate initializing solution is essential for the convergence of the successive numeric non linear structural analysis (performed by Newton method). The numerical applications highlight the capability of the proposed procedure to solve three dimensional problems with taut and slack cables, out of plane distributed forces (modeling wind loads), point loads along the cables. The contemporary presence of cables and compression truss elements is also considered testing the effectiveness of the method in the analysis of tensegrity structures.