带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

受控结构风振响应分析的广义虚拟激励法

基于复模态分析和虚拟激励法．提出了用于具有密集频率和非经典阻尼受控结构风振响应分析的广义虚拟激励法。该法可以考虑任意风谱和空间相关性以及模态耦合效应,且计算效率很高。不同于SRSS法．该算法包含了全部参振模态之间和全部激励点之间的相关性．在理论上是精确解。     

冻土活动层相变温度场Chebyshev拟谱分析

在冻土相变温度热传导机理基础上,应用冻土计算中水热输运过程成熟的通用物理模型,提出冻土活动层温度的一种全新的数值分析方法-谱方法.应用Chebyshev多项式作为基函数将温度解展开,在研究域(或单元)内采用伪谱Chebyshev逼近的谱方法.为了与谱方法的高精度相配合及提高时程积分解的稳定性,本文应用四阶Runger-Kutta法进行时程积分,变物性温度泛函-热导系数、热容量等考虑效应滞后的处理方法.本文提出冻土非线性问题数值计算拟谱分析的理论构架,其计算方法在冻土工程应用中具有一定的理论导向作用和较大的实用价值.     

输电塔线体系风振响应频域分析的一种简化方法

为了研究脉动风引起的结构振动问题,以两塔三跨不等高输电塔线体系为工程背景,将瞬时风速与瞬时风压的脉动部分之间的关系简化为线性,采用 Davenport 谱得到了脉动风荷载的功率谱密度函数;通过振动方程得到了稳态频率响应函数;根据系统的输入输出关系求出了在物理坐标下输电塔线体系的位移响应谱密度矩阵,从而推导了输电塔线体系风振响应频域分析的简化方法;利用MATLAB编制频域分析程序,对塔线体系进行计算,并将此结果与采用ADINA计算所得结果进行了对比。结果表明：两者的跨中和塔中位移功率谱密度曲线分别在点（0.05,2000）和点（0.05,9×10-6）附近有个相同的峰值,两种方法的计算结果基本吻合,验证了本文推导的输电塔线体系风振响应频域分析的简化方法的正确性;此种方法在获得准确风振响应的同时可以提高求解的计算效率。     

基于风时程模拟的高耸结构风致响应有限元分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的高耸结构更易产生强烈的动力响应.考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本.采用有限元方法建立某高耸钢塔结构的三维有限元模型,并在时域内研究其在台风作用下的动力响应.侧重比较研究了结构线性与非线性对高耸钢塔结构风致动力响应影响,并与采用经典的Davenport谱的计算结果进行了比较.研究表明:同一种风谱计算的风载作用下,考虑几何非线性影响的高耸结构风致位移响应略大于线性情况下的计算结果,但差别不是太大;采用台风风谱计算风致结构动力响应的峰值和均方差比采用Davenport谱的计算结果大得多.     

大跨屋盖的完全三分量等效静力风荷载Refined three components method for determining equivalent static wind loads of large span roof

惯性风荷载法物理意义不明确,传统三分量叠加法忽略背景‐共振耦合效应,本文提出一种完全三分量的等效静力风荷载方法。利用完全三分量方法研究了开孔屋盖的等效静力风荷载,研究结果表明,阵风荷载因子法除在等效节点处有较好的精确性外,其他非等效节点处的等效静力风荷载均偏离正常分布,不适宜求解大跨屋盖等效静力风荷载;完全三分量法具有明显物理意义,其背景部分可采用全模态的L RC法实现,比截断模态的惯性风荷载法更加精确;忽略背景‐共振耦合效应的传统三分量法低估等效静力风荷载10％左右,完全三分量法可考虑背景‐共振耦合效应,相应于传统三分量法更加精确。     

极坐标系下Fourier-Legendre谱元方法与有限差分法数值扩散的比较

提出一种Fourier-Legendre谱元方法用于求解极坐标系下的Navier-Stokes方程,其中极点所在单元的径向采用Gauss-Radau积分点,避免了r=0处的1/r坐标奇异性。时间离散采用时间分裂法,引入数值同位素模型跟踪同位素的输运过程验证数值模拟的精度,分别利用谱元法和有限差分法的迎风差分格式求解匀速和加速坩埚旋转流动中的同位素方程。计算结果表明,有限差分法中的一阶迎风差分格式存在严重的数值假扩散,二阶迎风差分格式的数值结果较精确,增加节点可以有效地缓解数值扩散。然而,谱元法具有以较少节点得到高精度解的优势。     

大口径天线电性能风振响应的时域分析

建立天线风荷动力的计算方法,运用谐波合成技术,对天线受风空间的脉动风进行时程数值模拟,结合平均风速,获得天线反射面各结点的风速时程值,进而计算各结点的风荷动力;利用有限元法进行天线结构的风振响应计算,求得反射面各结点的位移响应;依据位移响应,进行电性能响应的计算;以40m口径天线为例进行了数值模拟,获得了该天线电性能风振响应的特性,结果表明脉动风的脉动对电性能的影响较为突出,其中,天线处于低仰角时更为严重.算例说明本文的时域分析思路与计算方法对大天线电性能风振响应的掌握是可行和有效的.     

随机风场下高层结构振动隔震与TMD混合控制研究

针对风荷载作用下高层建筑结构振动控制问题,基于建筑隔震和调谐质量阻尼器振动控制原理,利用ANSYS软件分别建立高层结构带隔震层和带调谐质量阻尼器(TMD)的单一控制策略以及两者相结合的混合振动控制策略。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(AutoRegressive,AR)法,考虑竖向相关性、平稳的多变量随机过程以及它的互谱密度矩阵模拟生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速谱的功率谱密度,并用于20层钢结构Benchmark结构模型。系统比较三种振动控制策略在顺风向脉动风载作用下的控制效果,结果表明隔震与TMD混合振动控制方法可以有效地抑制结构风振响应,控制效果很好地弥补了单一振动控制的缺陷。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构风振响应的可靠控制。     

精细积分法应用于地震碰撞力反应谱计算研究

相邻结构的碰撞时程分析是计算地震碰撞力反应谱的基础。结构碰撞时程分析要求采用稳定性好、精度高及计算效率高的数值分析方法。精细积分法将二阶动力微分方程通过增元降阶的方式转换成Hamilton对偶变量体系,得到了动力微分方程的精确解。基于此,本文将精细积分法引入结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算中。在推导精细积分法公式的基础上,在MATLAB环境下编制了结构碰撞时程分析程序和碰撞力反应谱计算程序,并实现了碰撞力反应谱程序的并行化。经算例验证,精细积分法应用于结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算是可行的,程序计算结果准确。     

高层建筑风荷载反演研究

本文研究了结构参数未知条件下的高层建筑风荷载反演问题,通过将平均风速的实测特性作为识别计算中的辅助条件,文中提出了一类荷载归一化统计平均方法,结合工程实例,进行了高层建筑风荷载反演分析,结果表明,本文建议方法可以在幅值、时程等方面均给出良好的风荷载反演结果,同时识别得到的结构参数具有良好的精度。从而为高层建筑风荷载研究提供了一条可行途径。     

关于动力分析精细积分算法精度的讨论

对动力问题分析的精细积分算法的精度问题进行深入研究,并在此基础上提出对原有的算法的改进策略,改进后的算法可以较好地克服算法精度对积分时间步长的依赖性问题。     

单向悬挂屋盖结构的风致气弹耦合效应数值模拟

综合运用计算流体力学和计算结构力学技术,建立了适用于索膜结构流固耦合风振分析的CFD数值模拟方法,并编制了相应的有限元计算程序。应用该程序对具有不同参数的大跨度单向屋盖结构进行了风振响应分析,探讨了来流风速、屋面质量和初始预张力等参数对结构流固耦合特性的影响。研究表明,由于屋盖前缘周期脱落的大尺度旋涡是诱导结构振动的主要原因,随着大尺度旋涡沿屋面向下游移动,其动能逐渐转化为结构变形能,使结构振动形态呈现明显的涡激振动特征。屋面质量、来流风速和初始预张力是影响结构流固耦合性能的主要参数。对于索膜结构,仅通过刚性模型来确定结构风压并进行风振响应分析,其结果是不可靠的。     

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

利用浅水水箱作为阻尼器的大连国贸大厦减振控制研究

针对一实际工程结构—大连国贸大厦,研究了风荷载作用下调液阻尼器的减振控制作用。首先建立了该结构的简化计算模型,利用Davenport谱给出了模拟风荷载;在大厦所处的位置进行多次测量,得到实际风速样本,选取其中风速较大、过程平稳的样本,对实测样本与模拟样本的频谱进行比较,验证了模拟风荷载的合理性。文中在大厦顶层设置浅水水箱,将其设计成可减少结构位移及加速度反应的控制装置TLD,以提高大厦在风荷载作用下的舒适度,并给出了高层建筑水箱减振方案实施的设计建议。数值计算结果表明,该大厦顶部设置TLD减振装置后,能有效地控制结构在风荷载作用下的反应。依据本文的TLD设计步骤,可供类似高层建筑进行TLD减小风振控制分析和设计时参考。     

The jump phenomenon effect on the sound absorption of a nonlinear panel absorber and sound transmission loss of a nonlinear panel backed by a cavity

Theoretical analysis of the nonlinear vibration effects on the sound absorption of a panel absorber and sound transmission loss of a panel backed by a rectangular cavity is herein presented. The harmonic balance method is employed to derive a structural acoustic formulation from two-coupled partial differential equations representing the nonlinear structural forced vibration and induced acoustic pressure; one is the well-known von Karman??s plate equation and the other is the homogeneous wave equation. This method has been used in a previous study of nonlinear structural vibration, in which its results agreed well with the elliptic solution. To date, very few classical solutions for this nonlinear structural-acoustic problem have been developed, although there are many for nonlinear plate or linear structural-acoustic problems. Thus, for verification purposes, an approach based on the numerical integration method is also developed to solve the nonlinear structural-acoustic problem. The solutions obtained with the two methods agree well with each other. In the parametric study, the panel displacement amplitude converges with increases in the number of harmonic terms and acoustic and structural modes. The effects of excitation level, cavity depth, boundary condition, and damping factor are also examined. The main findings include the following: (1)?the well-known ??jump phenomenon?? in nonlinear vibration is seen in the sound absorption and transmission loss curves; (2)?the absorption peak and transmission loss dip due to the nonlinear resonance are significantly wider than those in the linear case because of the wider resonant bandwidth; and (3)?nonlinear vibration has the positive effect of widening the absorption bandwidth, but it also degrades the transmission loss at the resonant frequency.     

模式自适应连续小波去除趋势项方法在爆破振动信号分析中的应用

为了更精确提取爆破振动信号峰值速度、能量等重要特征,必须对爆破振动加速度信号时域积分中的趋势项予以去除。通过对实测爆破振动加速度信号进行梯形数值积分,提出以时域积分后的爆破振动速度信号来构造模式自适应小波基的方法,并用此方法去除时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项,然后对去除趋势项后的爆破振动速度信号进行能量特征分析。结果表明:模式自适应连续小波法成功去除了时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项;与建立在传统Fourier变换基础上的频谱分析相比,小波变换的能量分析具有更精细的频率分辨率,更适合于对频率分辨率要求更高的爆破振动信号进行分析;各频率区间范围划分越宽,爆破振动加速度信号与速度信号各频率区间内能量分布的相关程度越高,反之,相关程度越低。     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

Stochastic sensitivity analysis of coupled acoustic-structural systems under non-stationary random excitations

This paper presents a new sensitivity analysis method for coupled acoustic–structural systems subjected to non-stationary random excitations. The integral of the response power spectrum density (PSD) of the coupled system is taken as the objective function. The thickness of each structural element is used as a design variable. A time-domain algorithm integrating the pseudo excitation method (PEM), direct differentiation method (DDM) and high precision direct (HPD) integration method is proposed for the sensitivity analysis of the objective function with respect to design variables. Firstly, the PEM is adopted to transform the sensitivity analysis under non-stationary random excitations into the sensitivity analysis under pseudo transient excitations. Then, the sensitivity analysis equation of the coupled system under pseudo transient excitations is derived based on the DDM. Moreover, the HPD integration method is used to efficiently solve the sensitivity analysis equation under pseudo transient excitations in a reduced-order modal space. Numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed method.