海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.      

GPU-BASED DISCRETE ELEMENT MODELLING OF INTERACTION BETWEEN SEA ICE AND JACK-UP PLATFORM STRUCTURE

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.     

基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台结构振动分析

冰荷载是影响海洋平台结构及其上部设备作业安全的重要因素。针对海洋平台与海冰相互作用的动力过程,采用具有粘接-破碎性能的离散元方法(DEM)对海冰的破碎特性进行分析,采用有限元方法(FEM)对海洋平台结构的动力响应进行计算;同时考虑海冰与海洋平台结构的耦合作用,将海冰的离散元方法与海洋平台结构的有限元方法相结合,建立了冰激海洋平台结构振动的DEM-FEM模型,并由此计算海冰作用下海洋平台结构的振动响应以及冰荷载特性。     

三维横向流体诱发直管振动的数值研究

基于计算流体力学和计算结构动力学,并考虑流体-结构两个物理场之间的相互作用,利用有限体积法及LES方法离散非稳态、粘性、不可压缩湍流流场;采用有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下传热管流致振动计算的三维仿真模型。首先,基于建立的模型得到了横流作用下传热管的振动响应,并通过与已有的文献数据进行比较发现,两者趋势一致、数值上吻合较好,证明了本文模型的合理性;其次,在较宽的折减速度和频率比范围内,研究了直管的响应、流体力系数、涡脱落频率,并通过管表面压力分布、尾流区的时均速度等分析了时均流场特性;第三,研究了两种折减速度的归一化方法,指出对于三维弹性管的流体诱发振动问题,采用通用的折合速度来表示响应图能清晰地表征其响应特征;最后,比较分析了弹性支撑刚性管与弹性管的流体诱发振动特性。结果表明,对于三维弹性管的流体诱发振动计算应考虑结构的弹性变形与流体流动间的相互作用。     

应用浮动冲击平台考核舰载设备响应分析

为研究安装甲板模拟器的浮动冲击平台系统考核舰载设备的机理,对整个系统建立有限元模型进行数值模拟并建立力学模型进行了理论分析。根据船体甲板结构产生的垂向低通滤波特性,提出甲板模拟器具有减缓高频冲击并满足设备安装频率要求的作用。将被试设备的浮动冲击平台考核系统简化为有阻尼的三自由度系统强迫振动模型,通过拉普拉斯变换方法求解了不同冲击环境下被试设备的响应。数值模拟与理论计算结果比较吻合,被试设备响应迅速达到峰值后逐渐衰减,振动频率由高频向低频过渡,在分析浮动冲击平台舰载设备考核系统长时间响应时需考虑阻尼的影响。     

电梯轮轨耦合高频振动计算模型研究

电梯导轮和导轨相互作用产生的高频振动是电梯噪音的主要来源之一,本文基于导轨、导轮和电梯框架等各柔性构件的频响函数,建立了耦合振动系统的频域计算模型。分析了导轨表面粗糙度、导轮偏心和扁疤等激励对电梯高频振动的影响。通过与实测数据进行比较．验证了计算模型的有效性．从而为电梯的减振降噪设计提供了有用的分析工具。     

地铁引发地面振动分析中阻尼矩阵构成模式的探讨

以某地铁区间线路为例,建立二维有限元分析模型,通过数值计算,分析了瑞利阻尼和柯西阻尼两种阻尼矩阵构成模式对地铁引发地面振动响应计算结果的影响,并与采用滞后阻尼假定的频域解进行了比较,讨论并提出了不同阻尼矩阵构成模式在地铁引发地面振动分析中的适用范围及有效性.数值结果表明:在地铁振动分析中,应选择结构基频和荷载卓越频率作为控制频率来确定阻尼瑞利矩阵.与瑞利阻尼模型相比,应用柯西阻尼模型能达到较好的计算精度,但会增大动力分析的计算量.     

改进的小损伤结构动力学有限元建模方法

在遗传算法或神经网络方法识别结构损伤位置和程度时,都是基于少量的在线测量的损伤结构振动响应数据和大量的模型仿真数据来实现的,因而建立高效和精确的损伤结构动力学有限元模型,以便仿真获得损伤结构的大量动力学响应数据是十分重要的基础前提工作。本文针对ANSYS结构分析软件在建立结构小损伤有限元动力学模型存在两个关键问题,结构损伤处直接网格划分的计算结果误差和网格节省问题,以结构损伤振动检测的实际需要为出发点,提出了建立含小损伤结构的ANSYS动力学建模技术,研究了结构局部小损伤及其位置与所在处单元刚度矩阵变化的数量关系。     

纵向力作用下无缝线路动态特性有限元分析

本文通过建立无缝线路有限元动力分析模型,研究了钢轨自振频率和温度力之间的关系.该动力模型包括钢轨模型,钢轨扣件模型,轨枕模型,考虑了钢轨断面特性,钢轨磨耗,轨下刚度以及扣件的弹性刚度和扭转刚度等因素对动力模型计算的影响.分别分析了钢轨磨耗,轨枕支承间距,扣件刚度,钢轨类型以及轨下刚度等参数改变的情况下,钢轨纵向力变化对钢轨振动特性的影响.对部分的计算数据与实际试验测得的数据进行比较分析后,发现通过有限元方法所建立分析模型的计算结果与现场测试结果对比有较好的吻合,采用所建立的计算模型可以更准确地分析无缝线路轨道结构中钢轨纵向力与振动特性的内在联系.     

地震作用下高层建筑结构的分散神经网络振动控制研究

针对地震作用下高层建筑振动神经网络控制问题,将神经网络理论与分散控制理论相结合,提出分散神经网络振动控制方案,并应用于高层结构地震反应振动控制中。利用多层前馈神经网络建立结构模型,预测结构的振动响应。基于NARMA-L2的神经自校正控制系统设计BP神经网络控制器,研究分散神经网络振动控制效果,并与神经网络集中控制进行比较。对某20层Benchmark结构模型进行数值模拟分析,结果表明,本文提出的分散神经网络振动控制方法简化了神经网络的结构,可有效控制结构振动和消除时滞;同时,相对于集中控制的单一失效,本文方法的可靠性更强且可以保证振动控制系统的实时响应。     

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.     

冰区航行中船舶结构冰载荷的现场测量与反演方法研究进展

冰载荷是影响极地船舶航行安全的重要环境因素,而对船舶结构的现场监测是获取冰载荷的可靠途径.鉴于船-冰相互作用的复杂性, 目前还难以直接测量冰载荷,一般通过结构应变、六自由度运动参数等船舶结构局部或总体响应的测量数据间接反演冰载荷.根据冰载荷的作用范围,本文将船舶结构冰载荷现场监测划分为局部冰载荷现场监测与总体冰载荷现场监测两大类.对国内外18艘极地船舶冰载荷现场测量试验的开展时间、试验海域、测量方案等信息进行了系统的总结和分析.从基本原理、适用范围、应用现状和发展前景等方面全面地介绍了船舶结构冰载荷反演的影响系数矩阵法、支持向量机法、格林函数法、运动参数法和功能关系法,并重点分析了"MV Timofey Guzhenko"极地穿梭油轮与"IBRV Araon"破冰考察船的冰载荷测量结果.在此基础上对船体局部冰压、冰力峰值、冰载荷概率分布和冰激振动加速度等相关研究进展进行了深入的讨论.最后从测量技术、反演方法、冰载荷特性等方面剖析了当前船舶结构冰载荷现场监测中存在的问题,并探讨了相应的研究方向.本文对国内外极地船舶冰载荷现场测量与反演方法的论述可为后续研究与工程应用提供科学参考,从而更好地促进我国极地船舶的抗冰结构设计与冰区航行技术的发展.      

移动载荷作用下浮冰的非线性动力学响应

本文考虑非线性、惯性和阻尼的影响, 研究了任意深度二维理想流体顶部浮冰的振动. 对相关的拟微分算子进行展开并将非线性项保留至三阶后, 完全非线性问题被简化为仅与自由面上的变量相关的三阶截断模型. 为了验证简化模型的准确性, 重点关注了自由孤立波解. 在不考虑阻尼的情况下, 采用多重尺度方法推导了三阶非线性薛定谔方程(NLS), 利用该方程预测了任意水深下原始欧拉方程中自由波包型孤立波解的存在性及三阶截断模型的准确性. 相比于Dinvay等所提出的二阶模型, 三阶截断模型的优势在于其对应的三阶NLS具有准确的非线性项系数, 能够在最小相速度附近更好地模拟冰层的动力学响应. 进一步地对自由孤立波解进行数值计算, 数值结果表明三阶截断模型在分岔曲线和孤立波波形上均与完全欧拉方程吻合良好, 准确性高于二阶截断模型. 基于三阶截断模型, 探究了匀速局域化载荷作用下的浮冰非线性动力学响应并将时间依赖解与实验测量数据进行比较, 数值计算结果与实验记录吻合良好.      

高拱坝动力特性与动力响应模型试验研究

高拱坝的动力破坏特性越来越受到关注,动力特性和动力响应是其研究的一个重要方面。通过模型试验的方法研究高拱坝动力特性和动力响应的特征,动力特性试验比较了完好结构与有施工横缝结构的基阶动力特性,表明当结构存在施工横缝时,结构基阶频率降低,阻尼增大。结构动力响应采用振动台模拟地震波激励,试验结果表明,完整结构与有施工缝结构动力响应具体数据不同,但规律相同。加速度最大响应沿拱顶水平向在坝中拱顶的值最大,向两边的坝肩处,加速度最大响应逐渐减小。沿拱坝垂向加速度最大响应从坝顶到基础,响应均逐渐减小。试验结果可为高拱坝结构动力安全研究提供技术依据。     

李萨如图形在检测系统中的应用

李萨如图形可以检测两个相同频率信号的相位差．主要论述具有惯性质量、弹簧和阻尼器的二阶加速度测量系统,其动态响应特性的分析方法,如何利用李萨如图形来检测力平衡式加速度传感器的动态特性,即幅频特性和相频特性,从而确定传感器的固有频率ω_n和阻尼比ξ,以此来评定传感器的综合特性．     

海上风机动冰力模型试验相似律研究

相似律在模型试验中发挥着非常重要的作用,虽然目前静冰力模型试验的研究比较全面,但还没有一个完整适用的动冰力相似律作为动冰力模型试验基础.本文针对冰激结构振动中动冰力模型试验相似律,基于弹性相似与柯西(Cauchy)相似的联合相似准则,提出了两种动冰力相似律.建立并改进了能够反映冰与结构水平相互作用的相互作用系数.以NR...     

大跨度空间网格结构多点输入反应谱计算方法的研究

根据大跨度空间网格结构的特点,忽略拟静力反应项与动力反应项的耦合项,提出了多点输入反应谱计算的简化方法.该方法所表示的结构地震动反应主要由拟静力响应和动力响应两部分组成,其中拟静力响应是由地面各点输入位移不一致引起的;动力响应部分主要是由结构在地面加速度作用下引起的,它在形式上与传统的一致输入反应谱保持一致,但考虑了多点输入的影响.结果表明,简化方法是可行的,它一方面减少了计算工作量,另一方面又保证了计算精度.     

Testing and modeling of a CLEMR damper and its application in structural vibration reduction

In this paper, a new kind of combined lead extrusion magnetorheological (CLEMR) damper is proposed. First, tests on CLEMR damper at different currents, excitation amplitudes, and frequencies are carried out. Experimental results show that even when power fails, CLEMR damper can still absorb and dissipate vibration energy of the structure effectively, and its damping force can also be well adjusted in a large range of damping force. Then a mathematical model employing the current, excitation amplitude, and frequency as inputs is proposed and verified by comparing experimental and numerical results. Comparison results show that the proposed model can describe the effects of current, amplitude, and frequency on properties of CLEMR damper. Finally, elastic-plastic dynamic time-history analyses on frame structure with and without CLEMR damper are carried out to evaluate the effectiveness of CLEMR damper in reducing seismic responses of the structures; dynamic responses of the uncontrolled and the controlled structures are then compared. Comparison results show that the displacement responses of each floor of the controlled structure, as well as the number of the cracking point and yielding point of the member, reduce significantly, which implies that the proposed CLEMR damper holds promise in reducing and suppressing the vibration responses of the civil structures.     

波流场中的桩柱结构地震反应研究

采用理论分析及有限元模拟的方法, 对波流场中桩柱结构的地震动力反应进行了研究. 除考虑波流场作用在桩柱上的波流力和动水压力外, 根据模型试验结果认为还需考虑作用在 桩柱上的涡振横向力. 通过地震作用下波流场中四桩平台的有限元模拟计算, 发现 水中地 震放大了桩柱结构的动力反应; 波流力和涡振横向力共同作用导致桩的相对位移、剪力及弯 矩值大幅提高, 但是对桩身加速度影响较小; 桩底部位易于发生地震破坏.     

Explicit computational method of dynamic response for non-viscously damped structure systems

Non-viscous damping models in which the damping forces depend on the past history of velocities via convolution integrals over some kernel functions have been raised in many engineering fields. This paper describes an explicit computational method of dynamic response for the non-viscously damped structure systems. The explicit formula is derived using the differential property of convolution and the central difference formula of acceleration. The explicit computational procedure of dynamic response is given in detail. Finally, the dynamic responses of MDOF structure system with double exponential model dampers and SDOF structure system with Gaussian model damper are computed using the proposed explicit method. The accuracy and efficiency are discussed by comparison with other two developed methods.