求解Rayleigh阻尼系数的加权最小二乘法

在地震反应分析过程中,提出了一种优化方法以解决Rayleigh阻尼系数计算时选择两阶合理参考频率的难题。该方法是以反应谱理论为基础,以结构位移峰值误差最小为目标函数。将位移反应谱用一阶Taylor级数近似计算,从而将目标函数简化为加权最小二乘法的方程。随后以框架结构为例,讨论了模态个数和阻尼比模型对Rayleigh阻尼系数计算的影响,并与传统方法、最小二乘法及基于多参考振型的加权最小二乘法进行比较。计算结果表明,最小二乘法由于忽略了模态贡献的影响,不是计算Rayleigh阻尼系数的合理方法。当模态个数所包含的累积振型参与质量达90%以上,本文方法所得Rayleigh阻尼系数计算结果稳定,结构动力反应的计算精度高。     

考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅱ)——等效阻尼

对多自由度带支撑Maxwell阻尼器减震结构的等效阻尼比进行了系统研究。构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组;基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析计算式。与一些典型问题的模态应变能法的计算精度进行对比分析,结果显示:本文方法的计算结果在特定条件下与精确解完全相同;在一个二自由度系统中相对位移响应方差的误差分别为0.99%和0.45%,优于应变能法的8%和5.4%,表明了本文方法的有效性。从而为建立此类耗能结构等效阻尼分析的完备解析解法、直接应用反应谱法进行实际工程设计提供了依据。     

土-结构相互作用体系合成模态阻尼比的振动台模型试验研究

本文籍振动台模型试验。研究了SSI体系的合成模态阻尼比问题。文中首先阐明了在SSI体系直接动力分析中应采用合成模态阻尼比的观点。研究了合成模态阻尼纟的实测确定方法。并在不同工况下，通过对模型不同部位测点的传递函数，基本频率，基本合成模态阻尼比等实测数据考虑，验证了SSI体系合成模态的存在性，合成模态阻尼比与相同应变下不考虑相互作用的单纯地基土体或刚性地基结构阻尼比的差异性及其在递增动力作用下的变化规律。     

基于加速度响应控制时MTMD的地震特性

研究了由多个刚度和阻尼保持为常量且频率呈线性分布的TMD形成的MTMD的地震特性。基于虚拟激励法和Kanai Tajimi及Clough Penzien地震谱 ,建立了结构 MTMD系统的加速度传递函数 ,进而导出了设置MTMD时结构的加速度动力放大系数 (ADMF)明确表达式。于是MTMD的优化准则选择为 :结构最大加速度动力放大系数的最小值的最小化 [Min .Min .Max .ADMF]。通过最优搜寻得MTMD的最优频率间隔、平均阻尼比、调谐频率比和相应的控制有效性指标。选择结构受控频率与地震卓越频率比的不同取值 ,研究地震卓越频率对MTMD最优参数及有效性的影响     

一种耗能剪力墙结构地震反应的简化计算方法

本文用哈密顿原理建立了一种带竖缝耗能剪力墙结构在地震作用下的动力平衡方程，用Ritz法求解该方程，采用基于割线刚度和阻尼比等概率 幅值平均的等效线性方法求解竖缝中的耗能装置的刚度和阻尼比，并通过对一耗能剪力墙结构模型振动台试验的计算分析表明了该方法计算简单，且有较好的计算精度，为便于工程应用，对由耗能装置提供给结构的附加阻尼进行强行解耦，用振型分解反应谱的方法进行耗能结构地震反应的简化计算，并通过对一算例的计算分析表明了该简化方法具有一定的精度，该简化方法使对耗能结构的抗震计算与普通结构比较一致，该方法主要适用于小震作用下的耗能结构的抗震计算。     

基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法

黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷, 复阻尼模型时域计算结果存在发散现象. 为克服上述两种阻尼模型的不足, 在复阻尼模型基础上, 依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型. 频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点, 还保证了结构位移时程的稳定收敛. 混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成, 其阻尼矩阵为非比例矩阵, 无法直接采用实模态叠加法. 根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系, 提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法. 算例分析结果表明, 与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比, 基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一, 且不增加矩阵维度, 具有较高的计算效率. 小阻尼情况下, 两种方法的计算结果近似相等, 且与复阻尼模型的频域计算结果一致. 当阻尼比较大时, 两种方法的计算结果差异增大, 但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.      

基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法

黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷,复阻尼模型时域计算结果存在发散现象.为克服上述两种阻尼模型的不足,在复阻尼模型基础上,依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型.频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点,还保证了结构位移时程的稳定收敛.混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成,其阻尼矩阵为非比例矩阵,无法直接采用实模态叠加法.根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系,提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法.算例分析结果表明,与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比,基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一,且不增加矩阵维度,具有较高的计算效率.小阻尼情况下,两种方法的计算结果近似相等,且与复阻尼模型的频域计算结果一致.当阻尼比较大时,两种方法的计算结果差异增大,但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.     

复模态理论在近海平台中的应用

运用复模态理论对考虑海洋平台结构与流体相互作用而引起的非经典阻尼问题进行了理论分析。水中耦合阻尼矩阵运用复模态解法，可以不必近似对角化。推导了随机波浪荷载作用下结构各种反应的能量谱密度函数及结构反应的统计特性，得到了结构反应的均方差和峰值的表达式。针对某典型平台在随机波浪荷载作用下动力反应用复模态法进行了计算并与运用实模态方法多重叠代方法的结果进行了比较。     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

On a modal damping identification model of building structures

The simple modal damping identification model of Hart and Vasudevan is generalized. The model works in the frequency domain and provides time-invariant modal damping ratios of building structures under seismic excitations in terms of modal participation factors and the roof-to-basement transfer function. Translational as well as torsional modes of vibration are considered. The performance of the model is assessed through a small, yet indicative, number of numerical examples involving steel plane and space frames under seismic excitations and on the basis of a number of criteria an ideal identification model should satisfy. It is concluded that the presented model, in spite of its simplicity, gives very good results for low-amplitude seismic excitations resulting in linear elastic structural behavior (with damping) even for cases of closely spaced modes, local modes, and very small or large amounts of damping. Some numerical pitfalls regarding the application of the model are mentioned and carefully treated. The limitations of the model when used in conjunction with inelastic structural behavior are determined and discussed. Experimental verification of the model is also provided.     

氮化硅陶瓷平板振动模态参数的研究

本文采用压电陶瓷片测振技术,试验分析了氮化硅陶瓷平板的固有频率及模态阻尼比,试验结果与有限元计算结果比较吻合。本文还对氮化硅陶瓷平板与普通钢平板做了对比试验,结果表明氮化硅陶瓷平板的固有频率及模态阻尼比都较高。     

基于时间响应函数的结构阻尼识别方法比较

研究了3种基于时间响应函数的结构阻尼识别方法, 包括对数衰减法、希尔 伯特方法和小波方法. 给出了3种方法的实现算法, 分析了对密集模态的识别能力. 构造仿真算例, 采用3种方法识别了5{\%}, 10{\%}和30{\%}噪声条件下的模态阻尼. 结果表明, 小波方法比对数衰减法和希尔伯特方法具有更好的噪声鲁棒性. 采用小波方法分析了润扬大桥结构健康监测系统获得的实测数据, 识别出了润扬大桥悬索桥前6阶模态参数, 第2阶和第3阶模态频率相差仅为0.015\,Hz. 研究表明, 小波方法具备噪声条件下密集模态的识别能力, 是工程中阻尼识别的优选方法.     

Modal parameter identification based on ARMAV and state–space approaches

An accurate prediction for the response of civil and mechanical engineering structures subject to ambient excitation requires the information of dynamic properties of these structures including natural frequencies, damping ratios and mode shapes. Since the excitation force is not available as a measured signal, we need to develop techniques which are capable of accurately extracting the modal parameters from output-only data. This article presents the results of modal parameter identification using two time-domain methods as follows: the autoregressive moving average vector (ARMAV) method and the state–space method. These methods directly work with the recorded time signals and allow the analysis of structures where only the output is measured, while the input is unmeasured and unknown. The equivalence between ARMAV and state–space approaches for the problem of modal parameter identification of vibrating systems is shown in the article. Using only the singular value decomposition of a block Hankel matrix of sample covariances, it is shown that these two approaches give identical modal parameters in the case where the block Hankel matrix has full row rank. The time-domain modal identification algorithms have a serious problem of model order determination: when extracting structural modes these algorithms always generate spurious modes. A modal indicator to differentiate spurious and structural modes is presented. Numerical and experimental examples are given to show the effectiveness of the ARMAV or state–space approaches in modal parameter identification using response data only.     

组合结构振动的等效阻尼比

本文采用滞后阻尼的假定，在获得组合结构含有滞后阻尼系数的复频率方程后，进而导出了一种分析组合结构体系效阻尼比的方法，只要在实数范围内，采用通常的特征值方法或所选用２的软件。便可获得各种组合结构任一阶等铲阻尼比，简单且实用，本文最后给出了一个组合悬臂结构和组合高层建筑筒体结构的实例。     

Experimental investigation of added mass effects on a Francis turbine runner in still water

The mechanical design of hydraulic turbines is conditioned by the dynamic response of the runner that is usually estimated by a computational model. Nevertheless, the runner has complex boundary conditions that are difficult to include in the computational model. One of these boundary conditions is the water in which the runner is submerged. The effect of the added mass and damping of water can modify considerably the natural frequencies of the runner. An experimental investigation in a reduced scale model of a turbine runner, using modal analysis, was carried out. Several impact tests with the runner freely suspended in air and in water were done. The response was measured with accelerometers located in different positions of the runner. From the modal analysis, the natural frequencies, damping ratios, and mode-shapes were determined. The same mode-shapes obtained in air were obtained in water but with lower natural frequencies and higher damping ratios in water. The difference in the natural frequencies is shown to be dependant basically on the added mass effect of the water and not on its added damping. This difference also depends on the geometry of the mode, presenting different values for different mode-shapes. Using nondimensional values, the reduction in the natural frequencies can be extrapolated to other Francis runners presenting similar geometrical characteristics.     

基于Welch法的协方差随机子空间方法的模态参数识别

对工程结构进行环境激励下的模态参数识别具有重要意义, 而随机子空间法作为适合环境激励下模态参数识别的时域方法, 由于噪声和复杂激励的原因, 会产生虚假模态、真实模态遗漏、系统自动定阶难和计算效率等问题, 这些问题阻碍了该方法在实际工程中的广泛应用. 本文提出了基于Welch法的随机子空间方法, 通过Welch法对振动响应在频域进行去噪、降低环境激励和其他不确定性因素影响的处理, 把结构固有模态从噪声和激励频率中突显出来, 形成富含更多结构模态的Toeplitz矩阵, 然后进行奇异值分解和状态矩阵计算, 最后进行特征值分析. 为了实现自动定阶, 对不同奇异值分量构建的状态矩阵得到的特征参数, 进行模糊C均值聚类分析和模态的平均相位偏移分析, 剔除虚假模态, 实现结构模态参数的自动识别. 并把本文所提出方法应用于一座大跨悬索桥的实测加速度响应分析, 和一座七十层的高层建筑的加速度响应分析, 跟频域分解法、传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法的计算结果进行了比较, 发现基于Welch方法的随机子空间法相比于传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法, 在避免模态遗漏和计算效率方面有显著提高, 而相对于频域分解法则在自动识别和剔除虚假模态方面有明显优势.      

High-order layerwise mechanics and finite element for the damped dynamic characteristics of sandwich composite beams

A high-order discrete-layer theory and a finite element are presented for predicting the damping of laminated composite sandwich beams. The new layerwise laminate theory involves quadratic and cubic terms for approximation of the in-plane displacement in each discrete layer, while interlaminar shear stress continuity is imposed through the thickness. Integrated damping mechanics are formulated and both laminate and structural stiffness, mass and damping matrices are formed. A finite element method and a beam element are further developed for predicting the free vibration response, including modal frequencies, modal loss factors and through-thickness mode shapes. Numerical results and evaluations of the present model are shown. Modal frequencies and damping of sandwich composite beams are measured and correlated with predicted values. Finally, parametric studies illustrate the effect of core thickness and face lamination on modal damping and frequency values.