车辆随机振动功率谱分析的虚拟激励法概述

车辆受到路面或轨道不平度激励会产生随机振动,对这类随机振动进行快速有效的分析对于提高车辆性能具有非常重要的意义．而这类随机振动的分析,历来都只能将车辆模拟为自由度很低的弹簧质量体系,其计算精度难于保证．特别在需要计算疲劳应力集中的情况,需要使用网格很密的有限元模型,计算困难就更为突出．此外,在考虑多个车轮受到路面随机激励时,就更难应用效率相对较高的频域分析来计算车辆的随机振动;而只能借助于一条或几条路面不平度样本,让车轮在上面移动,借助数值积分工具而粗略地得到随机响应的统计特性．效率很低而且精度不高．虚拟激励法对于克服上述困难具有很好的效果;目前已在我国的汽车、火车、磁浮列车等领域获得日益广泛的应用．该文对此作一概略的叙述．     

虚拟激励法在国内外工程界的应用回顾与展望

《随机振动的虚拟激励法》自1985年正式发表以来,逐渐得到许多工程领域的认可和采用,解决了很多重要而困难的工程问题.该方法不但被国内某些工程规范所推荐,而且被3种国际工程手册成章刊载,在国际上亦占有了一席之地.该文是笔者参考了数百篇国内外论文,依据其中一部分在11个工程领域对虚拟激励法的应用和一些学者的评论所撰写的综述.借以让更多工程技术人员和研究者对虚拟激励法有较为全面的了解,以结合各自工程领域更有效地开展对随机振动理论和方法研究成果的应用和发展.     

海洋立管双模态动力学分岔分析

为研究剪切流作用下顶张力立管的涡激振动响应规律,将立管简化为Euler-Bernoulli梁模型,用van der Pol尾流振子描述流体的作用,建立了立管涡激振动的非线性动力学模型.基于二阶Galerkin模态离散所得常微分方程组,采用谐波平衡法、Poincaré映射方法和Lyapunov指数法分析系统响应特点.研究结果表明:随着流速的增加,系统响应在周期运动和概周期运动间多次转换,其中周期解区域对应系统的涡激共振区;谐波平衡法结果能够较准确地预测涡激共振区周期解的振幅和频率,以及非涡激共振区概周期解的主要频率成分.     

固定-铰接约束柔性管的涡激振动实验研究

海洋立管顶部常铰接于浮式平台下方,在海流激励下存在涡激振动响应,潜在疲劳失效的风险。该文采用非介入光学测试方法（高速摄像）,对布置于循环水槽中顶部铰接-底部固定的悬链线柔性立管进行了振动响应研究。实验结果表明,立管三个方向被激发的振动模态阶数与主导振动频率均随约化速度的增加而逐渐升高,平面外的最大均方根振幅在模态过渡时有先降后升的变化,与振动模态分支相呼应。流体与立管之间能量传递在不同方向的分布存在一定差异,导致不同步的模态过渡现象。平面内振动存在与平面外振动主导频率吻合的频率,根据其是否主导对应管段的平面内振动,将其分为强耦合和弱耦合两种模式。     

引入非线性恢复力的涡激振动发电系统动力学行为研究

利用线性弹簧斜向布置的几何非线性产生非线性恢复力,提出了引入非线性恢复力的水下涡激振动(VIV)发电系统. 该系统通过单向轴承、齿轮齿条机构、增速箱和转子发电机,将钝体横向往复运动转变为发电机的单向旋转运动. 建立了综合考虑流-固-电耦合的水下涡激振动发电系统动力学方程,利用非线性振动理论,获得了钝体非线性振动的静态平衡点分岔和不同稳态运动的区间,重点研究了PF-2SN和2PF-2SN两种静态分岔情况下钝体的非线性动力学行为,获得了不同流速下钝体振动的Poincaré映射、相图和幅频图,分析了钝体在单周期小幅运动、大幅混沌运动和准周期大幅运动等运动模式下的振动行为及运动规律,并计算了在钝体处于不同稳态运动时的发电机功率. 结果表明：在PF-2SN分岔方式中,系统处于二稳态运动时的振动和发电具有明显优势,平均振幅比为2.18、发电功率最大值为24.45 W. 而在2PF-2SN分岔方式中,系统处于三稳态运动时的振动和发电更具优势,平均振幅比为1.98、发电功率最大值为18.32 W.     

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现．利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性．研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的“锁定”也始于阻力系数最小值处;在\"锁定\"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.     

随机地震激励下水中悬浮隧道的动力响应

将张力腿定位的水中悬浮隧道结构简化为弹性简支梁和弹性支撑刚性梁的叠加,基于Euler(欧拉)梁理论给出悬浮隧道管段受迫振动时的运动方程,等效线性化处理动力方程非线性项;采用虚拟激励模拟随机地震输入,数值模拟平稳随机地震下水中悬浮隧道管体的动力响应,给出管段的位移功率谱.通过位移功率谱分析表明：随着消能连接装置阻尼系数和张力腿弹簧系数的增大,管段的动力响应减弱,其中张力腿的刚度对悬浮隧道管体的震动影响较为显著.     

有限流体域内不同位置处的柔性管涡致振动机理研究

针对有限流体域内柔性管的涡致振动问题,将柔性管离散为若干空间梁单元,流体域采用实体单元离散,建立了有限流体域内柔性管系统的流固耦合模型及数值计算方法,设计并加工圆柱流体域内柔性管振动专用实验装置,采用GWT 2B双轴加速度传感器对柔性管的振动进行监测,并与数值模拟结果进行对比,吻合程度较好.基于该文的模型和方法,对圆柱流体域内不同位置处柔性管的涡致振动机理进行研究.结果表明,柔性管偏离入口流速位置的角度越大,越容易发生流体弹性不稳定性,柔性管的振动愈剧烈;而正对入口流速的位置,不易发生流体弹性不稳定性,柔性管振动减弱.     

陀螺系统随机振动分析的辛本征展开方法

探讨了受随机载荷作用下陀螺阻尼系统随机动力响应问题.虚拟激励法作为随机振动分析的一种高效、精确方法已经广泛应用于结构抗震、抗风等工程领域.在以单类物理变量描述的Lagrange(拉格朗日)体系框架下,振型分解方法已被有效应用于上述随机振动问题的模型自由度缩减.然而,对于陀螺系统的随机振动问题,由于陀螺效应的存在,基于Rayleigh商本征值的振型分解方法受到很大限制.对此,首先给出了陀螺系统辛本征值问题的一般形式.然后对于受平稳随机载荷激励的陀螺系统(无阻尼或有阻尼)引入虚拟激励法,基于辛本征空间展开推导了系统随机振动响应功率谱的求解列式;对于仅考虑陀螺效应的保守系统(无阻尼),该求解列式可以表述为一个显式表达式.在数值算例中,应用该文提出的方法分析了平稳随机载荷作用下一类阻尼陀螺系统的随机振动响应问题,通过与其它方法进行对比,验证了该方法的精确性和有效性.     

虚拟解法分析浸入边界法的精度

浸入边界法是对流固耦合系统进行建模和模拟的有效工具,在生物力学领域的应用尤为广泛．该文的工作主要包含两个部分：程序验证和精度分析．前者证明了程序的正确性,后者给出了浸入边界法的精度．两部分工作均使用虚拟解法作为研究工具．在程序验证部分,使用二阶空间离散格式进行数值计算,通过分析各种变量的离散误差,得到的程序计算精度阶是二阶,与理论精度阶一致,证明了数值计算所使用程序的正确性．精度分析部分工作在此基础上展开．引入压强跳跃,在动量方程中加入相应源项,通过分析带有源项的控制方程中各物理量的离散误差,证明浸入边界法只具有一阶精度．同时可以得出以下结论：粗网格无法敏感地捕捉浸入边界的影响;当Euler网格固定时,增加Lagrange标志点的数目并不会改善计算误差．     

地震作用下管道-土耦合结构非平稳随机振动分析

考虑地震载荷的非平稳特性和相干特性,建立了地下管道-土耦合结构随机振动分析的一种频域方法.应用Fourier-Stieltjes积分描述非平稳随机过程,由核函数刻画地震载荷的幅值和频率成份等时变特性;同时引入指数型衰减函数描述地震载荷的空间分布特性.在频域上结合虚拟激励法和Fourier(傅里叶)分析技术,推导了地下管道-土耦合结构受具有相干特征非平稳随机载荷作用下的响应演变功率谱的闭合解,建立了随机振动输入和输出的频域关系.数值算例与传统的分析方法进行对比验证,说明了建立方法的正确性和有效性;进一步研究了不同土参数变化以及不同端部约束条件下管道结构随机振动行为规律.     

三维粘弹性分层介质中平稳随机波的传播

研究平稳随机波在粘弹性分层横观各向同性介质中的传播问题．将岩层考虑为分层介质,各层性质不同,岩层位于基岩上面,并且认为基岩比岩层刚很多,在基岩处给出随机激励．在频率和波数域中将控制方程化为常微分方程求解．对常微分方程,应用两点边值问题的精细积分法进行求解．因此,近年来发展的应用于结构随机振动的虚拟激励法可推广于当前分层岩层响应的计算．     

水下穿越管道悬空段三级安全评价

水下穿越管道由于河床的不平整以及水流冲击、掏蚀作用,易产生裸露 、悬空等现象,悬空管段在水流作用下跨度逐渐增大,会威胁管道运营安全。为探究水流冲击作用下悬空管段的受力特性和失效行为,根据管道破坏形式,对管道进行静力学分析和动力学分析,提出了含悬空段穿越管道的分级安全评价方法：首先,根据管道悬空段受力特性和应力状态,进行“静载荷工况下的静强度安全评价”（1级）;其次,根据悬空管道的固有振动频率与水流的涡旋发放频率的关系,进行“动载荷工况下的共振安全评价”（2级）;最后,根据管道的环境工况和载荷作用,分析管道交变应力的周期性变化过程,求解管道的疲劳损伤和疲劳寿命,进行“动载荷工况下的疲劳强度安全评价”（3级）,从而提出水下穿越管道悬空段的三级安全评价方法。同时,提出了不满足安全评价的稳管措施,结合算例给出具体求解计算流程,为水下穿越管道悬空段的安全评价提供了一定的理论参考。     

考虑流体升力作用的海洋钻井隔水管变形特性分析

为了分析隔水管在复杂海洋环境下的变形,采用能量法及变分原理建立了隔水管的力学行为模型,并通过中心差商法对模型进行了数值分析.得到了隔水管的三维变形图,并通过计算机编程针对影响隔水管变形的主要因素进行了分析.结果表明,流体升力因素对隔水管变形有一定程度的影响;浮式钻井平台偏移量对隔水管变形的影响十分显著,隔水管变形随着偏移量的增加而增大;浮力块的安置虽然一定程度地增加了隔水管的变形,但却可以较好地改善隔水管的受力情况;隔水管变形随着顶部张力和钻井液密度的增大而减小.     

Effect of Water Absoption,Elevated Temperatures and Fatigue on the Mechanical Properties of Carbon-Fiber-Reinforced Epoxy Composites for Flexible Risers

The influence of water absorption, under different temperatures and thermal aging in an oven, on the elastic and strength characteristics of carbon-fiber-reinforced epoxy composites is investigated by comparative tests in three-point bending. The tension-tension fatigue behavior of the composites is also studied.