基于SPH-FE方法的波浪中结构物动力特性模拟研究

海工结构物在波浪荷载作用下产生动力响应,本文基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FE)耦合方法对结构物受孤立波冲击过程中表面压力分布和动力响应特性进行研究.通过溃坝模型模拟了水柱倒塌冲击结构物的过程,分析SPH模型中粒子间距对数值结果的影响,并通过与文献结果对比验证了本文数值方法的可行性.在此基础上研究水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度对波浪到达时间、结构动力响应和波浪冲击荷载特性的影响.研究结果表明:在本文计算条件下,波浪到达结构物的时间与溃坝初始水柱高度关系不明显,但随水柱与结构物间距的增大而线性增加;结构物顶端位移响应幅值随水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度的变化较明显;结构物所受波浪冲击荷载与水动力作用呈正相关关系;当水动力作用相同,结构刚度增大时,结构物底端所受波浪力会增大.     

波浪作用下结构的动力响应研究

波浪力是作用在港口工程结构物上的主要荷载之一,由于波浪的特性,结构物在波浪作用下会产生振动、疲劳等危害。利用有限元软件ANSYS模拟墩台结构,计算分析了该结构在波浪荷载作用下的内力、位移和振动等动力响应问题。计算由四个部分组成:重力作用下的结构静力响应、结构模态分析、结构谐响应分析和波浪作用下结构瞬态动力分析。     

自研同步采集系统在波浪荷载教学实验中的应用

在以往的关于畸形波作用时刻结构物所受波浪荷载的教学实验中,大多采用不同类型的传感器分别采集浪高和波压力荷载,并由多人协同进行人工同步的采集方式来进行,此方法受人为因素影响明显,特别是在复杂极端波浪作用下,能够实现单一波浪作用时刻下结构物所受到的瞬时荷载的精确采集十分重要。自研浪高—压力同步采集系统,从根本上实现了波浪及其压力在采集时的完全同步。特别在该系统投入到教学实验之后,对阐明诸如结构物在单一波浪作用下的动力响应特征问题的机理性研究起到了关键性作用。     

爆炸冲击作用下射孔管柱动力学响应试验

针对射孔段管柱爆炸冲击动态响应问题,建立了地面模拟试验测试系统;并对射孔管柱端部的压力和加速度响应进行测试。测试结果表明:爆轰产物对管柱端面形成反复的冲击作用,且随着爆轰产物从射孔孔洞释放冲击压力不断衰减。射孔冲击载荷对枪管的非对称加载特性导致射孔枪管端部的轴向和径向振动,以及枪管整体的向下运动和翻转运动。轴向加速度振动幅值最高;但衰减较快,响应时间短,枪管向下的运动速度最大;径向加速度振动幅值衰减较为缓慢,且响应时间较长。研究对射孔段管柱爆炸冲击动态响应特性获得了初步的认识,可为进一步的研究提供有益的参考。     

箱式超大型浮体结构在不规则波中的水弹性响应

箱式超大型浮体结构的水平尺度很大,结构的相对弯曲刚度大大下降,它在海洋环境中的水弹性响应必须考虑。此外,其设计寿命远远超过一般的船舶和海洋工程结构物,从结构设计的角度出发,需要预报结构在整个生命期内可能受到的波浪诱导弯矩以及结构的应力。为此,在应用三维线性水弹性理论计算得到浮体结构动力响应传递函数的基础上,进行了结构动力响应的短期预报和长期预报。计算结果表明,浮体结构的垂向弹性变形与刚体升沉运动幅值相当,波浪诱导弯矩和应力的长期预报值均较大。     

爆炸冲击荷载作用下拱结构动力屈曲研究

用数值模拟方法,研究了爆炸冲击荷载作用下拱结构的动力屈曲问题,重点分析了拱结构矢跨比对其动力响应和动力屈曲的影响。结果表明:对于矢跨比大于0.1的拱结构,在弹性振动阶段,拱顶位移幅值数量最大,当出现塑性变形以后,结构最大位移点在约1/6拱跨处;当爆炸冲击持续时间在某一范围内时,结构发生动力屈曲以后会出现反直观动力响应,位移幅值-荷载幅值关系曲线出现2个拐点,第1个拐点对应的荷载可看作动力屈曲临界荷载,第2个拐点对应的荷载可看作动力失效荷载。当拱结构的矢跨比小于0.1时,结构发生动力屈曲以后不会出现反直观动力响应,动力屈曲临界荷载即动力失效荷载。当爆炸冲击持续时间一定时,拱结构矢跨比越小,动力屈曲临界荷载越小。     

钢—混凝土组合梁动力特性试验研究

为了研究钢—混凝土组合梁基本动力特性及强迫振动下的动力响应,以剪力连接度为参数,设计了3片钢—混凝土组合箱梁,分别进行了自振特性试验和不同静载分量、加载幅值及频率的简谐荷载下的动力响应试验,得到了试验梁自振频率和振型、跨中动挠度、跨中加速度以及结合面滑移随剪力连接度的变化规律。试验结果表明:组合梁一阶竖弯和一阶扭转振动频率、结合面的滑移均值和幅值、跨中加速度以及跨中动挠度均随剪力连接度的降低而增大,说明组合梁抗弯和抗扭刚度均与剪力连接度直接相关;组合梁跨中动挠度和结合面滑移均值主要受静态荷载分量影响,滑移幅值主要受加载幅值影响,而跨中加速度则受荷载频率和荷载幅值的影响较大。     

波浪对结构物的冲击作用的数值模拟

通过无反射数值波浪水槽研究了周期波浪对浪溅区结构物的冲击作用.控制方程为雷诺时均方程,采用k-ε紊流模型及在近壁区应用壁函数.建立了适合VOF方法的水体与结构物接触与分离的数值边界条件及动量方程的对流项采用了三阶迎风差分格式以消除数值粘性的影响.通过对不同波浪参数、结构物尺度、结构物与静水面的距离等情形的数值计算成果的比较分析,得到了波浪对结构物底面的冲击压力分布特征,讨论了结构物离开水面的距离S等参数对波浪冲击压力的影响,通过数模得到了波浪对位于浪溅区结构物底面的波浪冲击压力幅值及沿底面分布的定量结果.     

不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析

对透空式建筑物上部结构的不规则波冲击作用进行了试验研究．试验靶谱是JONSWAP谱，试验中选取的入射波波高H1/3的范围为0．10～0．25m，谱峰周期Tp的范围为1．0～2．0s，结构物底面距静水面的高度s与入射波高H1/3之比的范围为-0．1～0．4．给出了不同试验组次的结构物底面所受波浪冲击压力的统计分析结果，得出结构物底面所受波浪冲击压力的特征值沿结构物底面分布特性．s／H1/3对作用于结构物底面的冲击压力峰值有很大影响，冲击压力峰值最大值出现在s／H1/3=0．1～0．2．     

随机波浪对浪溅区三维结构物冲击作用试验研究

通过物理模型试验研究了随机波浪对位于浪溅区三维结构物的冲击作用.试验波浪为单向随机波.试验中波浪分别从正向(波向角β＝0°)和斜向(β＝15°、30°、45°)入射,入射波波高H1/3=7.5～20 cm,谱峰周期Tp=0.75～2.0 s,模型相对净空s与入射波高H1/3之比为0～0.5.对不同试验组次试验数据的统计分析比较得出:正向波和斜向波作用于结构物底面的冲击压力特征值,中部大、周围小;波浪冲击压力等值线基本上垂直对称分布于波向线两侧;结构物所受波浪冲击力随入射波波高增大而增大,对应相对板宽的变化出现2个峰值,在相对净空s/H1/3为0.1和0.2时到达最大值.     

考虑SSI效应的特高压输电塔风致响应试验

为了研究风荷载作用下输电塔-基础-地基耦合效应(SSI效应)对输电塔风致响应的影响,以一座特高压输电塔-基础-地基体系为例,按照离散刚度法设计其气弹模型,采用一个刚性质量块来模拟基础,U型弹簧和阻尼器来模拟地基,对气弹模型进行风洞试验,并研究地基阻尼和刚度对输电塔结构风致响应的影响规律。研究表明:1)考虑SSI效应后,模型的振动衰减要慢于刚性地基模型;同时,随着地基刚度的减小,模型的综合刚度减少且自振周期增大;2)地基刚度的减小会使上部结构位移和加速度响应逐渐增大,对塔脚反力基本没有影响;随着地基阻尼的增大,塔身加速度逐渐减小,但位移和塔脚反力几乎保持不变。因此,在进行输电塔结构设计时应考虑SSI效应的影响。     

轨道交通隧道基底刚度对共建结构的振动影响分析

为了探明建筑物与轨道交通隧道共建时隧道基底刚度对系统振动的影响,建立列车-轨道-隧道-土层-建筑物系统耦合振动模型,列车-轨道动力学模型和隧道-土层-建筑物有限元模型通过扣件力进行参数传递,对隧道基底土层加固为不同刚度时隧道结构以及建筑物结构振动位移、速度、加速度响应进行了时程分析、频谱分析和振级分析等.结果表明:隧道基底刚度越大,其下沉位移越小,隧道结构振动速度突变越大且振动速度的周期性越不明显,但振动位移的振幅变化与隧道基底刚度没有严格的相关性;隧道基底刚度对隧道振动加速度影响的主要频率为1~5Hz的低频部分;隧道基底刚度对于建筑物结构振动有较大影响,主要集中于低频范围,影响幅度可达10dB.     

振动离心复合试验系统中空气弹簧隔振系统设计

振动离心复合试验系统是将电动振动台或压电激振器安装在离心机转臂末端的设备,对于振动台顺臂振动,为了避免过大的激振力对离心机主轴及传动系统造成损坏,在转臂与转臂支承之间安装空气弹簧隔振系统。利用刚体动力学方法,建立了振动离心复合试验系统的数学模型。指出隔振系统必须具有变载荷对中能力。最后,考虑空气弹簧工作在压缩状态、考虑转速对系统刚度的影响,对隔振系统特性进行分析。分析表明,在转臂系统初始位置质心偏离时,空气弹簧刚度随着离心机转速增加而增大。空气弹簧刚度应足够大以抵消离心机转速影响,避免系统发散。     

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.     

土-筏基钢框架结构动力相互作用试验研究

为了解土-结构动力相互作用,分别在土槽和刚性地基上进行大比例筏板基础-钢框架顶层低频激振,通过改变上部结构刚度而进行了4个工况的试验对比,对采集的信号进行频谱分析和时域分析,得到不同工况下刚框架频率和动力反应,发现土体对结构频率与动力反应的关系呈现出一定的规律,这种规律主要是由上部结构的刚度变化引起的.土槽中的结构比刚性地基结构自振频率有所折减,随着上部结构刚度的增加土槽中的结构自振频率折减增多,试验最大值可达21.63%.结构各层柱的最大剪力、各楼层加速度峰值及位移峰值有明显的变化规律,加速度折减可达30%以上.     

风电增速箱结合部刚度分析及振动噪声预估

为了研究风电增速箱的振动特性和辐射噪声,基于轴承支承刚度及齿轮副啮合刚度分析,建立了风电增速箱轴系扭转振动模型,运用Matlab求解振动微分方程,得出轴系扭振频率及对应振型;综合考虑刚度激励、误差激励及冲击激励,建立了风电增速箱动力学有限元模型,仿真得出增速箱的动态响应。以箱体表面节点振动位移为边界条件,建立了增速箱声学边界元模型,采用直接边界元法求解得到箱体表面声压及场点的辐射噪声。结果表明,风电增速箱扭振频率与激励频率及其倍频相差较大,不会出现共振现象;增速箱结构噪声和辐射噪声的峰值主要出现在高速级齿轮啮合频率的二倍频附近。     

消失模铸造干砂紧实-拔出力对干砂造型的影响

研究了消失模铸造干砂振动紧实的规律性 ,设计了测定干砂紧实的实验装置——拔出力实验装置 ,得出了干砂振动紧实、振动参数以及负压度之间的关系。消失模铸造工艺影响干砂紧实的主要因素是振动加速度和负压度。振动到达一定时间后 ,再延长振动时间无益于砂子的进一步紧实。负压度对砂子的固定作用很大 ,必须调节合适的负压度和负压保持时间。振动加速度对砂子的充填紧实影响很大 ,因此必须协调好振动加速度、负压度和时间的关系     

小型天体穿透器的冲击和侵彻分析

设计了一种小型穿透器的结构样机,目的在于提供一种用于月壤探测的高速撞击穿透器结构.该穿透器结构质量轻、刚度高,具有优良的减振性能,能够有效地撞击穿透小天体.利用理论、数值分析和仿真相结合的方法,分析了小型穿透器撞击时的冲击响应以及正入射和斜入射靶体后的侵彻过程,从而探索深空探测领域撞击探测任务的撞击防护要求.结果表明,所设计的穿透器可以有效保证内部元器件的生存,其工作模块加速度响应小于输入值,达到了减缓冲击的效果,保护了内部仪器,使其在冲击过后依然可以正常工作.     

短型浮置板轨道减振系统振动响应分析

利用自行编制的有限元程序Vehicle Structure Dynamic Analysis Program（VSDAP）,从振动响应入手,同时结合短型浮置板的传递特性,研究短型浮置板轨道结构板下结构物理参数对于整个系统,包括车辆结构、轨道结构以及基础结构振动响应的影响.研究结果表明：当质量比例系数ξm、阻尼比例系数ξc和刚度比例系数ξk三者有2个取定的情况下,另外一个值可以通过分析给定一个建议区间;随着ξk增大,共振时传递率最大值降低,但截止频率升高;车体振动加速度最大值下降,浮置板自身振动幅度下降,但桥梁振动加剧;随着ξc的增大,共振时其传递率最大值下降速度由快至缓,当ξc达到某一值时,对隔振效果的影响已不是很明显.     

起升动载激励下岸桥起升传动系统动态特性

为研究岸桥起升传动系统在起升复杂工况下的动态特性,建立了起升机构的动力学模型,模拟了传动系统所受的起升动载.考虑传动系统中齿轮副的时变啮合刚度和支撑刚度,建立了起升传动系统平移-扭转耦合的动力学模型,得到了电机从启动到匀速最后减速到停止的起升过程中传动系统各构件的振动响应,并对不同阶段的啮合力进行了频域分析.研究表明,传动系统各构件的扭转振动与起升动载有相同的变化趋势,且由于起升速度的变化,加速和减速阶段的啮合力频谱出现了边频带现象.