简谐移动荷载下单相弹性地基三维动力半解析移动单元分析

由于路面不平整,车辆会以一定的频率和振幅在路面上运动,研究简谐移动荷载作用下单相弹性地基的动态响应具有更加现实的意义。将移动单元法引入到单相弹性介质的半解析方法中,构造了随荷载以相同速度运动的移动层单元。基于移动坐标下单相弹性介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了简谐移动荷载下单相弹性介质的三维动态响应半解析方程;将固定坐标下的动力问题转化为移动坐标下的拟静力问题,数值分析了简谐移动荷载作用下单相弹性地基的动态响应及其参数的影响。计算结果表明:在简谐移动荷载作用下,当无阻尼或小阻尼时,位移幅值随着速度变化不是单调递增或递减。当速度在瑞利波波速附近时,会出现各位移幅值的极大值(或第一极大值);当阻尼较大时,位移随着速度增加变化缓慢。这说明阻尼和频率的共同作用会有效地抑制位移幅值响应。研究结果表明本文所提供半解析移动单元法是研究简谐移动荷载下介质动态响应的一种简单有效的方法。     

拉索预应力巨型网格结构参激振动及动力稳定性研究

针对拉索预应力巨型网格结构的参激振动及动力稳定性问题进行了研究。首先建立索-拱简化模型,分析了桁架拱拉索参激振动的诱发机制与特征,并利用ANSYS软件进一步探究了参激振动的影响因素,然后对简谐荷载作用下拉索预应力桁架拱及整体结构的动力稳定性进行了分析。研究表明：当结构振动频率为索基频的2倍左右时,拉索会发生参激振动,振动响应特征与激励幅值、阻尼、拉索初张力、支承方式等相关;拉索预应力桁架拱在水平简谐荷载作用下一般会发生动力失稳破坏,在竖向简谐荷载作用下发生动力强度破坏,拉索预应力巨型网格整体结构在简谐荷载作用下通常发生动力失稳破坏。     

列车运行下环形轨道模型振动试验分析

搭建了环形轨道振动试验平台,开展环形轨道振动试验、轨面不平顺振动试验研究。采用INV3062T信号采集仪和INV-9828加速度传感器分别对轨道的横向响应(道床)、纵向响应(轨腰)、轨道表面和扣件支撑处进行加速度信号采集。通过凸起模拟了轨道不平顺,试验分析了轨面不平顺对钢轨动态响应的影响。分析了速度对横波、纵波和轨面不平顺的影响。结果表明:轨道横向振动幅值远大于纵向振动;相邻扣件中点处的振动响应大于扣件处;轨面不平顺会使振动响应增大甚至引起跳动;随着速度的增大,轨道振动位移响应呈上升趋势。     

基于高频动态响应的点阵夹芯结构损伤识别研究

针对点阵夹芯结构的脱焊损伤，提出了一种基于高频激励下结构ODS(operational deflection shapes)的损伤检测方法。ODS包含结构的整体动态响应特性，尤其是高频激励下损伤区域的局部振动信息。首先通过仿真计算出损伤局部区域的特征频率，选取合适的高频宽频带激励损伤结构。然后，采用压电片与扫描式激光测振仪结合，检测高频稳态信号激励下损伤结构的动态响应，综合考虑频段内多个频率下的ODS,由损伤成像中共振峰的位置，直接定位损伤。仿真与试验均验证了该方法识别损伤的有效性。     

车致桥梁支座动反力频谱特性及影响因素研究

建立频域内的车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,包括1/8车辆模型和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型两部分,以快速求解100Hz以内的桥梁支座动反力。将CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型简化为4层叠合梁,采用Euler梁模拟钢轨、轨道板、底座板和箱梁,采用具有复刚度的弹簧模拟扣件、CA砂浆层、滑动层和桥梁支座。以32m简支桥梁为研究对象,分析了支座动反力的频谱特性,并讨论了轨道不平顺、扣件刚度和支座刚度对支座动反力的影响规律。结果表明:支座动反力在车轮-轨道系统的固有频率附近出现峰值;轨道不平顺幅值在很大程度上决定了支座动反力幅值,其峰值频率点在支座动反力曲线上得以体现;扣件刚度降低可一定程度上减小轮轨力及支座反力峰值、频段幅值及峰值频率;支座刚度降低可以减小支座反力幅值,同时降低峰值频率,其主要通过改变轨道-桥梁耦合系统的频响特性实现,而轮轨力基本不受其影响。     

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.     

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运用分段线性系统分析理论,研究了间隙约束的悬臂梁振动系统在简谐激励 下系统稳态响应的动力学行为. 首先建立了间隙约束悬臂梁系统的动态响应分析模型,以传 递函数为基础,推导出系统的动力学分析方程及其求解方法. 然后对系统进行了数值求解分 析,得到了该系统稳态响应随激励幅值、激励频率、间隙接触刚度和阻尼变化的一般规律.     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,（1）合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,(1)合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;(2)随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;(3)通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;(4)随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;(5)随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.      

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

考虑气动力作用的载流覆冰导线主共振及谐波共振分析

针对载流导线的非线性振动问题,在以往只考虑安培力的载流导线振动方程中引入了气动荷载。在此基础上进一步引入了受迫激励荷载,以研究动态风或相邻档导线对载流覆冰导线非线性振动特征的影响,建立了一种新的气动力-安倍力-受迫激励联合作用下的载流覆冰导线系统。推导出非线性振动方程,利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微分方程,采用多尺度法求解得到系统的非线性受迫主共振和亚谐波共振的幅-频响应函数。通过数值计算,分析了参数变化对系统受迫共振响应的影响以及受迫主共振定常解的稳定性。结果表明,考虑气动力的振动幅值和系统非线性较未考虑气动力时更小和更弱;线路参数的变化对导线的响应幅值和系统的非线性都有一定程度的影响;主共振和亚谐波共振的响应幅值随着激励幅值的增大而增大,共振峰值向着调谐参数σ的负值方向偏移,呈现出软弹簧特征并伴随着多值和跳跃现象;主共振时,随着调谐参数的变化,响应幅值则出现同步和失步现象。     

移动荷载作用下非局部地基梁动力响应分析的有限元法Dynamic response of beams with nonlocal foundations subjected to moving loads using finite element method

基于非局部地基理论,推导了移动荷载作用下非局部地基梁动力响应问题的有限元解,分别讨论了地基的非局部参数、刚度、阻尼系数以及移动荷载速度对非局部地基梁动力响应的影响,并比较了非局部结果与局部结果的差异。结果表明,地基的非局部参数、刚度和阻尼是地基梁的动力响应的主要影响参数,地基梁最大响应及其发生的时刻与移动荷载速度有关。研究成果可为轨道地基系统设计提供参考。     

移动荷载作用下非局部地基梁动力响应分析的有限元法

基于非局部地基理论,推导了移动荷载作用下非局部地基梁动力响应问题的有限元解,分别讨论了地基的非局部参数、刚度、阻尼系数以及移动荷载速度对非局部地基梁动力响应的影响,并比较了非局部结果与局部结果的差异。结果表明,地基的非局部参数、刚度和阻尼是地基梁的动力响应的主要影响参数,地基梁最大响应及其发生的时刻与移动荷载速度有关。研究成果可为轨道地基系统设计提供参考。     

一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

爆炸冲击荷载作用下弹性支撑拱结构的动力响应分析

利用数值分析方法,系统研究了爆炸冲击荷载作用下弹性支撑对拱结构动力特性和动力响应的影响。研究表明:弹性支撑使拱结构自振频率减小,随着弹性支撑刚度系数的增加,各阶频率逐渐增大,其中对低阶频率的影响比高阶频率大;弹性支撑临界刚度系数是弹性支撑拱结构动力特性的分界点,此时结构第一阶、第二阶的频率几乎重合,出现模态转向;弹性支撑并不总是具有缓冲减振的效果,弹性支撑刚度系数较小时,缓冲减振效果较好,但会引起较大的拱脚竖向位移,在工程实际中可能并不适用;弹性支撑刚度系数较大时,在爆炸冲击消失以后,由于非线性振动等因素的影响,会出现振动增强,尤其当弹性支撑刚度系数接近弹性支撑临界刚度系数时,结构振动增强最为剧烈,此时设置阻尼支撑可消除振动增强。本文结果表明应综合设置刚度系数较大的弹性支撑和阻尼支撑以提高结构的抗爆承载能力。     

斜拉桥塔-索-桥面连续耦合参数振动特性分析

针对端部激励作用下斜拉索与桥塔、桥面协同振动问题,考虑拉索几何非线性、倾角、阻尼以及拉索重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了拉索与桥塔和桥面共同在激励作用下的耦合振动方程组,研究了桥塔-索-桥面结构系统参数的振动特性,并用数值仿真方法分析桥面与拉索频率比、桥面激励幅值、索力及拉索阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明:桥面与拉索的频率比分别为1∶2和2∶1时,拉索会发生不同模式的大幅振动;相比于超谐波共振模式,亚谐波共振模式的拉索振幅更大,但达到共振所需时间较长;拉索振幅随桥面激励幅值的增大呈非线性增大,桥面激励幅值越大,拉索积蓄共振能量所需的时间越短;拉索振幅随索力增大而减小;拉索自身阻尼对其振动的影响较小,增大拉索阻尼时,拉索振幅虽有减小趋势,但是减小幅度有限。     

基于集中质量法的普通圆锯片及基体开槽圆锯片振动响应分析

针对普通圆锯片及基体开槽圆锯片的振动响应问题,首次引入集中质量法建立了圆锯片无阻尼多自由度弹簧-质量系统模型。将开槽等效为去除槽分布对应区域内的弯曲弹簧,分别构造了普通圆锯片、基体开径向槽以及周向槽三类圆锯片振动系统模型的质量矩阵与刚度矩阵,并进行了简谐激励响应分析。采用振幅强度因子作为衡量锯片振动强度的指标,通过求解获得了振幅强度因子与频率关系的幅频响应特性曲线,将计算结果同有限元法的结果进行对比分析,结果表明:当峰值对应频率在0~750Hz范围内时,二者的一致性较好;当峰值对应频率大于750Hz时,开始出现较大偏差,验证了集中质量法用于计算圆锯片结构低频固有特性的正确性。本文研究结果对于求解存在几何缺陷的连续体弹性薄板的振动响应具有一定的参考价值。