高耸异型烟囱结构风压和风振系数试验研究

本文在模拟的大气边界层中,对某一发电厂高耸异型烟囱的刚性模型进行了测压试验研究,得到了这一结构的平均风压系数、最大和最小风压系数分布,以及该结构的风荷载体型系数;结果表明在烟囱外形明显变化的局部区域,风压绝对值较大,与理论分析一致。同时,对动态测力试验模型进行了高频动态天平测力试验研究,详细介绍了试验及数据处理方法,根据试验结果计算得到了该烟囱在风作用下的动力响应和风振系数;根据试验结果计算所得的风振系数值大于按规范公式估算值。这些结果不仅为结构的风荷载计算提供了依据,也有助于进一步认识该类异性烟囱结构的风荷载和风振特性。     

高耸结构锁定激励响应和极限风压研究

本文从升力振子模型着手,以国外试验数据为依据,详细研究了锁定现象的流固耦联作用机理和对应的高耸结构横向风振的主要形式——涡致锁定激励响应,提出了合理的响应计算方法。在这些研究基础上本文还讨论了横风向受力为主的一类高耸结构的破坏风荷载计算,该研究充分体现了锁定现象的非线性激振特性。     

门字型输电塔风振响应分析及风振系数的确定

门字型塔是一种综合性能比较好的钻越塔,风荷载对这种高柔结构的影响很大,但实际设计中风振系数按规范统一取值不是很合理,且取值较大,偏于保守。故本文针对门字型输电塔在脉动风作用下的响应、风振系数的求法及合理取值进行专门研究。主要建立了门字型塔ANSYS有限元模型,进行了模态分析;以Davenport风速谱为脉动风功率自谱,应用AR法编制程序顺风模拟了风荷载时程曲线,将由模拟风计算出的风载加载至门字型塔各塔段上对其进行动力时程分析,计算了风振系数并与高耸结构设计规范值进行了比较。研究结果表明:在风载作用下,塔身和横担均会产生较为明显的动力响应;塔身、横担风振系数可取均值,分别为1.39、1.59;规范计算得到的风振系数和本文时程分析得到的风振系数变化规律基本接近,但规范取值较大。     

气动阻尼对高层建筑横风向风振响应的影响

引入横风力谱模型，分析了某高宽比为6 的方形截面高层建筑在不同地貌和风速条件下的横风向风振响应. 同时考虑正气动阻尼的影 响，获得该建筑在不同自振基频下的风振响应及气动阻尼影响的规律. 分析结果表 明，对于处于低粗糙度地貌并受较高风速作用的低频建筑物，当计算其横风向风振响应时，应适当考虑 正气动阻尼的影响，使计算结果更具真实性.     

高耸结构的耦联阵风响应

在考虑气固耦联作用基础上研究了高耸细长结构和高耸双曲冷却塔的阵风响应:对前者应用Morison分析法确定风压,导出了适于工程应用的耦联风振系数计算式,通过与Davenport非耦联线性风振理论比较发现耦联作用对其阵风响应的影响不容忽视;对后者应用势流理论导出了塔壳广义振动微分方程中体现气固耦联作用的参量的计算式,并根据量级分析和实例计算表明耦联作用对其阵风响应影响很小,从而为冷却塔塔壳抗风设计和研究提供了可不考虑气固耦联作用的依据。     

应县木塔风作用振动分析

根据随机振动理论，运用风反应谱的概念，按振型分解法进行了木塔的风振分析，求得了风振剪力及风振弯矩，并与风压静力作用对比，得出了风振系数。     

高耸结构模糊随机风振反应的振型控制

本文应用最优控制理论提出了高耸结构模糊随机风振反应振型控制的一般设计计算方法。文中解决了结构风振振型控制研究中几个尚未解决的问题。它们是:(1)建立了相应于各振型的广义脉动风力的成型滤波器;(2)在计入风干扰随机性的同时考虑了实际脉动风的模糊性;(3)提出了结构风振振型消极控制的计算公式和积极控制的实现途径;(4)确立了以结构风振反应可靠性为风振控制效果检验的准则。     

连体构架避雷针风振计算的简化方法

为简化构架避雷针风振时域计算从而有效降低计算耗时,以单跨和三跨构架避雷针结构为例,根据构架体系的结构特性和风振特点,提出一种简化计算方法,即对每个塔架单独建模并考虑结构刚度和质量系统的一致性和横梁荷载的等效加载,从而对每个塔架单独进行动力计算,并对这种简化方法的合理性进行了验证．研究发现,构架避雷针的频率较小,风振效应较为显著,但在各方向均以一阶振型为绝对主力;构架避雷针的塔架在平面外的荷载耦联效应极小,平面内也仅表现有位移均值的耦联效应：这两个结构特性也为风振简化计算提供了便利．对每个塔架的简化模型,通过在塔架与原横梁连接处设置弹簧和附加质量来实现对原结构一阶振型的等效,并通过影响线法将横梁分布风荷载等效为塔架的集中荷载．由此简化方法所得的结构风振静动力响应结果均与原始结构有良好一致性,并且计算效率得以显著提升．     

Ritz-POD法的原理及应用

提出一种在频域内分析大跨度屋盖结构的风振响应的Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法(POD法)分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;根据此荷载空间分布形式生成Ritz向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以解决大跨度屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。运用该方法分析一单层球面网壳的风振响应,并与振型分解法对比,结果表明Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。     

矩形截面高层建筑横向风激励时程模拟

提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。从牛顿第二定理出发,将沿建筑高度分布的横风向加速度和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力计算公式;考虑横风向力谱竖向相干函数,由此导出了沿建筑高度方向分布的横风向脉动力互谱,进而采取谐波合成法模拟出了沿建筑高度分布的横风向脉动力时程数据。结果表明:横风向振动响应与结构固有频率相关,结构前2阶模态频率所对应的横风向加速度响应功率谱约占80%,且第2阶模态频率占主导;当在结构2/3高度增加粘滞阻尼器时,第2阶模态频率所对应的结构加速度功率谱值降低约为43.1%,减震效果明显。因此,结构横风向加速度分析至少考虑前2阶模态的影响。     

加速度功率谱密度在钢桥损伤检测中的应用

利用振动特性变化对结构进行无损检测,是近期损伤检测领域的热门研究课题.振动特性能够反映结构的状态,损伤的产生会导致桥梁某些振动参数的变化.为了研究应用加速度反应功率谱密度这一振动特性进行钢桥损伤识别方法,本文采用废止铁路线钢桥为试件,并人工预置6种工况损伤.利用正弦扫频波激振钢桥,分析其损伤前后加速度反应功率谱密度的变化.实验结果表明,利用加速度反应功率谱密度变化能够准确识别并定位钢桥损伤的位置.     

A Volterra-PEM approach for random vibration spectrum analysis of nonlinear systems

In this paper, the Volterra series and the pseudo-excitation method (PEM) are combined to establish a frequency domain method for the power spectral density (PSD) analysis of random vibration of nonlinear systems. The explicit expression of the multi-dimensional power spectral density (MPSD) of the random vibration response is derived analytically. Furthermore, a fast calculation strategy from MPSD to physical PSD is given. The PSD characteristics analysis of the random vibration response of nonlinear systems is effectively achieved. First, within the framework of Volterra series theory, an improved PEM is established for MPSD analysis of nonlinear systems. As a generalized PEM for nonlinear random vibration analysis, the Volterra-PEM is used to analyse the response MPSD, which also has a very concise expression. Second, in the case of computation difficulties with multi-dimensional integration from MPSD to PSD, the computational efficiency is improved by converting the multi-dimensional integral into a matrix operation. Finally, as numerical examples, the Volterra-PEM is used to estimate the response PSD for stationary random vibration of a nonlinear spring-damped oscillator and a non-ideal boundary beam with geometrical nonlinearity. Compared with Monte Carlo simulation, the results show that by constructing generalized pseudo-excitation and matrix operation methods, Volterra-PEM can be used for input PSD with arbitrary energy distribution, not only restricted to broadband white noise excitation, and accurately predict the secondary resonance phenomenon of the random vibration response of nonlinear systems in the frequency domain.

     

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.      

考虑参数不确定性的非线性梁随机振动分析

非线性系统的随机振动分析一直是结构动力学领域中的难点,已有一些研究表明基于矩等效的线性化方法在功率谱预测上会得到不恰当的分析结果;另一方面,由于不确定性在实际工程中普遍存在,如果同时考虑非线性和不确定性,更是显著增加了问题难度。本文以具有非线性非理想边界梁为研究对象,基于梁模型的动力学微分方程推导了对应的广义频响函数,并应用Volterra级数理论建立了非线性系统随机振动的谱分析方法,最后,结合蒙特卡洛抽样方法计算了具有参数不确定性非线性梁响应功率谱的均值和方差,讨论了不确定性对结构随机振动响应统计特征的影响。     

多人随机行走激励下人行桥振动分析

大跨人行桥具有轻质、轻柔、阻尼小及低频等特点,基频较小时对人行荷载激励较敏感,但目前对其在多人随机行走下的随机振动问题研究较少。本文基于标准步行荷载,使用人行桥多点加载模型,推导了多人随机行走下大跨人行桥振动响应时程的精细时域计算方法,并以此验证本文提出的计算人行桥随机振动的更简便的谱分析方法;通过构造桥上落足点的荷载时程,变换得到荷载时程功率谱,再利用荷载功率谱并借鉴林家浩教授提出的虚拟荷载法推导出反映行人舒适度的均方根加速度频域计算方法。     

Crack detection in a rotating shaft using artificial neural networks and PSD characterisation

The diagnosis of cracks in rotating shafts using non-destructive techniques provides a route for avoiding catastrophic failure of these common components. This study measured the dynamic response of a full-scale rotating shaft with three different crack depths. A novel non-destructive system is developed and described. The system uses vertical vibration of the system measured over time and characterises its behaviour using elements of the power spectral density (PSD) gained from a fast Fourier transform of the time-history. The PSDs were used as an input into an artificial neural network (ANN) to detect the presence of cracks using changes in the spectral content of the vibration of the system. A novel method for reducing the amount of data input into the ANN is described. The Peak Position Component Method (PPCM) reduces data transfer by using statistical characterisation of the position of the peaks in the PSD. The peak positions represent a small fraction of the information contained in the total frequency range. The number of the PSD peaks used as input to the neural net is a small fraction of the total frequency range. The ANN was a supervised feed-forward network with Levenberg-Marquardt back-propagation algorithm acting on the PPCM results. The frequency spectrum for the three different crack lengths examined show clear shifts in the peak positions of the PSD and the results clearly demonstrate the feasibility of using the new system to detect cracks in-service.     

关于虚拟激励法的一个注记

从具有随机频率与随机相位的随机谐和函数出发,证明了当随机频率与相位均为均匀分布而随机幅值与功率谱密度平方根成正比时,该随机过程的功率谱即精确地等于目标功率谱.进而表明:只需遍历频率区间,即可由单一谐和函数激励下的响应幅值给出响应的功率谱密度,从而揭示了虚拟激励法的物理意义.研究还表明:为了给出结构响应的功率谱密度,实际...     

Fractal characteristics of rocks fractured under tension

Fractal geometry can be useful for explaining the fracture behavior and rock properties. The fractal properties of rock fracture surface developed under tension were examined. Seven different rock samples were selected for the tests. An automated surface scanning device was used to map the fractured surfaces. Variogram analysis (VA) (for 1D self-affine sets) and power spectral density (PSD) measurement (for 2D self-affine sets) were applied to calculate the fractal dimension. On a comparative basis, there exists a trend between the fractal dimension and loading rate. The profiles in the loading direction yield higher fractal dimensions indicating the anisotropic feature of fractal. The fractal dimensions obtained by PSD and VA display a relationship for grain size and porosity. Higher porosity samples give different fractal dimensions for upper and lower fractures surfaces.     

随机振动问题的广义坐标合成法

工程中的随机振动分析多采用完全二次型组合法(CQC)及其改进算法,如虚拟激励法(PEM)和谐波激励法(HEM)。广义坐标合成法(GCS)提出了一种计算随机响应的新思路,其基本原理是将物理空间的计算转移到自由度较小的振型空间进行,从而缩减了计算量和计算规模。对于较大规模结构体系的随机振动问题,GCS方法计算响应协方差矩阵的计算量只相当于PEM的2r/sT,其中s、r和T分别为激励功率谱矩阵的秩、振型总数和离散频率点数。此外,对于给定激励时程的问题,由于GCS方法直接求解广义坐标运动方程,因而可以方便得出响应时程。通过对几种方法的详细对比,说明对于大多数只需要求解响应方差的随机振动问题,GCS是最优的计算方法。PEM只有在s相似文献