冰激振动中的锁频共振分析

冰激振动(ice-induced vibration, IIV)中的锁频共振严重威胁结构安全, 恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型IIV模型(黄国君和刘鹏飞,2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理论研究.应用该模型预报了发生在一个冰速区间内的锁频共振现象,并研究了结构和冰特性参数:结构阻尼和刚度以及冰的压缩刚度和冰破坏的破坏区长度、韧脆转换速度和随机性对IIV及锁频共振的影响,在此基础上探索了锁频共振机理. 研究表明: 在锁频共振冰速区间内,结构响应和冰力主频都锁定在结构固有频率,然而不同冰速下的频谱结构和振动形态各异,从常规单频共振到多频共振、从等幅振动到振幅周期性变化的拍振动,呈现出丰富的动力学特征;结构和冰特性参数可改变锁频共振冰速区间的长度和位置以及结构振幅,冰破坏的随机性和应变率效应发挥着一种竞争作用;锁频共振来源于冰破坏的应变率效应,其力学机制是频率调制和对结构-冰动能传递的非对称性正反馈效应放大的双重作用,本文分析揭示的这一新的锁频共振机理属于耦合振动,与传统的负阻尼自激振动机制有着本质区别.本文分析结果及对锁频共振机理的认识有助于相关实验研究和冰区结构设计以及IIV减振技术的研发.      

冰激结构振动的非线性分析

冰对结构的作用表现为冰的变形和破碎两个阶段，具有间隙非线性特征本文根据试验结果，将非线性分析方法应用到冰激结构振动方程中，从理论上阐明，冰激柔性结果的振动是一种多频干扰自激和强迫振动系统，并研究了试验中观察到的锁频现象的机理。计算结果与试验结果是一致的。本文得到的冰力计算公式可用于海洋工程结构的设计计算。     

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害.本文通过离散元(discrete element method,DEM)--有限元(finite element method,FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的冰激振动模型.采用具有粘结--破碎性能的球体离散单元描...     

两柔性梁碰撞振动类型的实验研究

基于对两弹性部件碰撞振动的理论及数值研究,设计了两柔性梁碰撞实验来研究碰撞振动类型．在实验中观察到亚谐、超谐、概周期、混沌等多种碰撞振动类型．此外,发现系统存在类似“频率锁定”性质的碰撞振动,以及同时存在性质相异的碰撞行为,如谐碰撞与混沌振动共存现象     

随机连续梁弯曲振动系统的频率可靠性分析

根据随机连续梁弯曲振动系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机连续梁弯曲振动系统的可靠性模式和系统的可靠度,提出了避免共振的频率可靠性分析方法,对随机连续系统共振问题的准失效分析方法进行了探索。     

环形陀螺敏感结构的平面振动分析

在薄壁圆环振动特性基础上,研究了振动环式微机械陀螺的支撑梁对环的振动模态及自然频率的影响。对一种外支撑式环形微机械陀螺敏感结构进行了ANSYS模态仿真,得到工作振动模态的变形量。以薄壁环2节点变形模态函数为参考函数对仿真变形量用最小二乘法拟合,拟合误差在4.5%以内,各函数系数一致性误差小于1.5%。基于支撑梁对环结构的模态函数影响较小的条件,用能量法和速度积分法得到结构的应变能和动能函数,进一步得到具有支撑梁环结构自然频率的近似解。选取4组支撑梁尺寸,其近似解与仿真结果的相对误差在±3%以内。     

圆柱体振子纵径耦合振动频率的理论计算

振子的实际振动都是不同振动模式之间的耦合振动,薄板径向振动理论、变幅杆一维设计理论等都是三维弹性理论的简化形式,都有相应的适用范围,否则将产生大的计算误差。通过设定纵径耦合系数,由弹性动力学理论推导出了圆柱体振子纵径耦合振动的频率方程,并通过与有限元分析结果及实验测量值的比较,证明了该方法具有非常高的计算精度。在圆柱体振子的纵径耦合振动中,其长径比(或厚径比)越大,振子的纵向振动越强,反之振子的径向振动越强。     

同向回转双机驱动振动系统的频率俘获

提出了改进小参数平均法,将两个转子的同步问题转化为相位差及平均转速扰动参量微分方程的零解存在与稳定性问题,得出了同步实现与稳定性条件,提出了频率俘获力矩的概念,解释了两个转子自同步的奇特现象.自同步产生于系统的运动选择动力学特征,即两偏心转子激励起机体的圆运动和绕质心的摆动运动,圆运动对频率俘获力矩贡献驱动相位差向π趋近,实现摆动运动;摆动运动对频率俘获力矩贡献驱动相位差向O趋近,实现圆运动.频率俘获力矩与两电动机的输出力矩之差的比值称为同步指数,实现同步条件为同步指数的绝对值大于1.当同步指数绝对值远大于1,摆动运动占优势时,系统实现圆运动;而圆运动占优势时,实现摆动运动.     

移动集中质量作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率分析

研究了移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁振动频率的变化规律。首先根据Euler-Bernoulli梁振动的控制方程,引入载荷和位移边界条件,建立梁单元的动力刚度矩阵和形状函数矩阵,然后采用傅里叶变换的思想,建立移动载荷惯性力引起的附加动力刚度矩阵,进而得到系统整体的动力刚度矩阵。通过Wittrick-Williams法进行求解得到移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率,与有限元法计算结果的比较,验证了此方法的正确性,体现了此方法在精度和计算规模上的优势。根据上述方法,揭示简支梁和悬臂梁振动频率随着移动质量速度与质量的变化规律。     

基于近场动力学的梁结构振动特性分析方法研究

基于欧拉梁理论推导了两自由度梁的常规态型近场动力学(Peridynamics,PD)模型,并提出一种新的自由边界条件施加方法,对不同边界条件的PD梁进行了模态分析,与局部梁的有限元结果进行了对比,验证了模型的收敛性,分析了PD非局部参数对固有频率的影响.结果表明,当近场作用域内物质点密度较小时,PD梁模型非局部性较弱,与局部梁的有限元结果接近,随着物质点密度逐渐增大,非局部作用增强,PD梁的固有频率逐渐降低;当尺度参数趋于零时,PD梁的固有频率收敛到局部梁的有限元解,PD梁退化为局部梁.研究表明,论文提出的PD梁模型和自由边界施加方法适用于分析梁的振动特性,为采用PD方法分析梁结构的动力特性提供了参考.     

空气绕流诱发H型桥面振动的机理分析与模拟——————以Tacoma大桥风振致毁事故为例

以Tacoma大桥风振致毁事故为例, 研究H型桥面的风振机理. 分析了绕流场对称性的 破缺及其诱发桥面振动的情况; 并根据大桥实际尺寸, 采用Fluent软件进行了二维仿真计算. 结果表明: 桥面低压区从中部逐步形成并顺风向移动, 在上下桥面依次交替进行; 其二, 风 速越大, 桥面所受的阻力和升力变化周期越小, 周期变化速率也越小; 其三, 升力系数的变 化周期约为阻力系数变化周期的两倍, 在当时19m/s的风速条件下, 升力系数变化的周期约 为31.5s.     

冰与海洋结构物作用的极限承载力

为进一步研究冰与海洋结构物作用时的变形和影响,论文将岩土力学中的Smith屈服准则引入到冰材料的弹塑性分析中,从细观力学的角度分析了孔洞存在以及拉、压破坏强度不同的条件下冰材料的力学性能,构造了冰的本构方程;采用分区构造方法分析给出冰与矩形直立结构物作用时应力场的解析解;最后用数值计算的方法分析给出不同压力敏感性参数和拉压强度比下冰的极限承载力.分析结果表明Smith屈服准则能够准确反应孔洞的存在及拉压屈服强度不同对冰材料力学性能的影响.     

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叙述了微分求积法的一般方法，并把该方法应用于求解单摆的非线性振动的周期问题，取得了比常用的L-P法更满意的结果．     

轴对称薄壁结构自由振动的边界元分析

采用双互易法分析薄壁轴对称结构自由振动的特征频率以及特征模态.首先,采用径向基函数插值域积分里的位移,利用双互易法将域积分转化为子午面边界的积分.然后,将边界物理量、基本解和特解展开为傅里叶级数,沿环向积分后得到的边界积分方程可用于轴对称结构带体积力问题和受非对称载荷的动力学分析,其积分域为轴对称结构子午面边界上的线积分,进一步降低了问题的维度和离散的难度.文章详细探讨了源点处于对称轴的特殊情况,根据基本解和特解的退化形式,针对无体积力和有体积力分别给出了处理奇异矩阵的方案.对于薄壁结构,采用双曲正弦变换处理近奇异积分有效提高积分精度.最后将双互易法和双曲正弦变化应用于薄壁轴对称结构带体积力的静力学和自由振动分析.数值结果表明,文章提出的处理奇异矩阵的方法能够有效处理源点处于对称轴的情况;当圆筒厚高比为$10^{-3}$,边界元计算的特征频率的相对误差为$10^{-3}$,且优于有限元的结果.      

露天爆破震动诱发地下洞室顶板失稳的非线性机理分析

开挖爆破是诱发工程岩体失稳的重要因素.根据露天与地下联合开采特点,将地下洞室顶板简化为水平简支梁,基于非线性理论分析方法建立了露天爆破震动扰动诱发地下洞室顶板失稳的突变理论模型,导出了其失稳判据条件和临界安全厚度,探讨了爆破震动幅值、主频、围岩特性等主要因素对地下洞室顶板临界安全厚度的影响.以甘肃厂坝铅锌矿群采空区顶板安全厚度分析为例,计算得到了露天与地下采场之间顶板的临界安全厚度.研究结果表明:露天爆破扰动诱发地下洞室顶板失稳过程具有非线性和不连续性特征,顶板临界安全厚度不仅取决于岩体工程特性,而且与爆破震动幅值、主频等多重因素有关,这与实际情况是吻合的.     

智能结构密频系统振动控制及其摄动分析

提出一种智能结构密频控制规律的设计方法。其主要工作为：将密频子空间转化为重频子空间,把密频系统作为重频系统上的摄动;为了解决重频密频子空间相对应的特征向量选取的敏感性问题,通过摄动分析得到与重频密频子空间相对应特征向量的线性组合并利用闭环系统特征值极点配置的方法得到重频密频系统的振动规律;把所设计的振动控制规律作用于原系统和摄动系统上,讨论了结构参数改变后对系统的动态特性的影响;最后通过算例证明该方法的有效性。     

高超声速粗糙元诱导转捩的数值模拟及机理分析

采用直接数值模拟方法细致刻画了钻石型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了钻石型粗糙元诱导转捩的机理. 流动结构的拓扑分析表明,钻石型粗糙元头部区域和底部区域分别存在不稳定的鞍点-鞍点(SS) 型轨线和鞍点-结点-鞍点(SNS) 型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构. 边界层流动失稳过程计算分析表明,钻石型粗糙元会产生高波数扰动,并发现在扰动发展过程中大尺度结构会破碎. 两种不同类型的流动失稳效应同时存在. 此外,通过不同类型粗糙元(圆柱、斜坡及钻石型) 的对比,揭示了不同类型粗糙元诱导转捩机理的差异,为高超声速人工转捩装置设计提供了基础理论支撑.