索-梁组合结构的建模及面内动力特性分析

利用哈密顿变分原理以及结构动静态构型的影响,建立了索-梁组合结构的约化运动学控制方程。考虑到边界条件和耦合连接条件,我们研究了体系的面内特征值问题。根据求解得到的面内特征值方程,并通过分段函数的引入,结构的模态函数可以被直接确定。随后,我们研究了参数垂跨比f,刚度比和质量比对面内固有频率的影响。研究发现从结构的频率谱图中可以看出频率跳跃现象是存在的,另外,频率穿越现象也是十分明显。随后 ,考虑到局部模态和整体模态,结合之前确定的特征值方程及分段振型函数,我们研究了索-梁组合结构可能的模态形状。最后,我们讨论了索-梁组合结构可能发生的内共振形式,比如面内1:1内共振形式以及1:2内共振形式。研究表明梁的静态构型不仅直接影响到耦合力连接条件,还将影响索-梁组合结构频率的确定。     

受损悬索对称性破缺下非线性耦合振动研究

对称性是振动理论中5大美学特征之一,然而对称性破缺又难以避免.本文以工程中常见的易损结构—悬索为例,探究当该系统遭遇非对称性损伤时,对称性破缺对其面内耦合振动特性影响.首先建立受损悬索面内非线性动力学模型,并采用Galerkin法得到离散的无穷维微分方程.利用多尺度法计算该非线性系统发生面内耦合共振响应的调谐方程.截取...     

损伤效应对悬索2:1内共振响应影响分析

损伤是结构振动测试和运营维护中不可避免的问题，损伤效应会导致结构振动特性发生改变．本文以受损悬索为例，探究该非线性系统同时发生主共振和2:1内共振时，损伤效应对其面内耦合共振响应影响．首先基于哈密顿变分原理，引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数，建立受损悬索面内动力学模型，并推导其无穷维非线性运动微分方程．以2:1耦合共振为例，采用Galerkin法和多尺度法得到系统直角坐标形式的调谐方程．数值算例表明：损伤会导致悬索固有频率降低，使得频率间公倍关系发生改变，影响系统耦合共振响应；损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变，尤其是共振响应幅值及弹簧特性；损伤对直接激励模态响应幅值的影响比对内共振激发对响应幅值的影响要明显；损伤会导致霍普夫、鞍节点、叉形和倍周期分岔的位置发生偏移，从而影响分岔点附近系统的动力学行为；系统动态解和周期运动与损伤密切相关，损伤会导致系统展现出完全不同类型的吸引子．     

悬索主共振响应的多尺度解与同伦分析解

利用哈密顿变分原理,引入拟静态假设,建立了悬索面内非线性运动方程,并采用Galerkin方法对其进行离散。接着运用多尺度法和同伦分析法得到了悬索前两阶模态主共振响应的近似解。为验证这两种分析方法的适用性,同时采用龙格-库塔法对方程直接进行了数值积分。数值计算结果表明,随着悬索垂跨比以及振幅的增加,由多尺度法与同伦分析法得到的幅频响应曲线存在明显的定性与定量的差别,而同伦分析法结果与数值法的结果更加接近。最后比较了两种分析方法得到的位移场与索力时程响应曲线。     

考虑损伤效应的悬索非线性共振响应分析

悬索在其施工、运营和维护阶段会不可避免地遭受损伤,导致振动特性发生改变。本文基于哈密顿变分原理,引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数,建立损伤效应影响下悬索面内动力学模型,并推导其无穷维的非线性动力学微分方程。利用高阶多尺度法得到系统发生主共振响应时的幅频响应方程及稳态解。数值算例表明,悬索线性和非线性共振响应特性与损伤效应密切相关。悬索一旦发生损伤,其张力减小,垂跨比增加,将形成新的静力构形。受损悬索的固有频率将下降,且随着损伤程度增加而进一步减小。损伤会导致悬索正/反对称模态频率的交点发生偏移,影响系统内共振响应特性;损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变,但是垂跨比不同,其共振响应特性受损伤影响会有明显区别;损伤甚至会直接改变系统稳态响应幅值以及稳定解的数量,导致系统产生明显大幅振动,影响结构安全。     

轴向时滞反馈控制下悬索非线性响应分析

采用轴向时滞反馈控制策略对悬索进行振动控制。根据Hamilton原理建立悬索的非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下悬索第一阶正对称模态主共振响应近似解,得出系统响应与控制参数的关系。结果表明,主共振的响应存在多解和跳跃现象,调节控制增益和时滞值,可以避免共振区,有效抑制大幅振动。     

温度变化对悬索非线性自由振动特性影响

基于增量热场理论,引入悬索在温度变化下的热应力平衡状态,推导考虑温度效应的悬索非线性自由运动微分方程,并对其进行Galerkin离散以及线性分析。利用Lindstedt-Poincare法求解悬索非线性自由振动的近似解,通过算例研究温度变化对悬索非线性自由振动特性的影响。研究结果表明:温度变化不会改变悬索非线性运动方程形式,但是会影响非线性运动微分方程的线性及非线性项系数大小;对于垂度较小的悬索,温度上升,硬弹簧程度增强,反之则降低;而对于垂度较大的悬索,温度变化会导致悬索非线性自由振动时的软硬弹簧特性发生定量甚至定性的变化;升高和降低相同温度对悬索振动特性的影响呈现出明显不对称性。     

温度变化对端部激励斜拉索共振响应影响

基于增量热场理论,利用Hamilton变分原理,通过引入与张拉力和垂度相关的无量纲参数,建立了考虑温度变化影响下斜拉索非线性动力学模型,并推导其面内/外非线性运动微分方程。考虑斜拉索受端部激励,利用Galerkin法得到离散后的无穷维常微分方程组。面内和面外运动各取前两阶模态,向前和向后扫频,利用龙格-库塔法数值积分求解常微分方程组,得到共振区域的幅频响应曲线。算例分析表明,温度变化和斜拉索固有频率呈反比例关系;温度变化会导致斜拉索共振特性发生定性和定量的改变,如共振区间发生漂移、跳跃点位置发生移动、共振响应幅值发生改变;端部位移激励下,温度变化有可能导致斜拉索更多模态受到激发,从而影响各阶模态的能量以及模态间的能量传递。     

基于赫林格?赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法

无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格?赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.      

斜拉索非线性振动跳跃过程试验研究

斜拉索振动中的“跳跃”现象是一种典型的非线性行为。虽然,在以往的理论和实验研究中已发现该现象,但是,却没有直接观测到其发生的过程。为探究斜拉索“跳跃”过程及该过程中的非线性动力行为,根据动力相似理论的弹性力-重力相似律设计了斜拉索实验模型。通过在扫频试验中使激励频率恰好等于“跳跃”的临界频率,直接观测到了斜拉索自发发生的“跳跃”过程。对空间运动形态变化规律和特征的研究发现：斜拉索“跳跃”过程空间运动不仅仅是振幅突然改变,而是经历了面内外振幅急剧减小、面内外振动交替占主导及“气圈”运动逆顺时针交替变换3个阶段。