基于零初值的测试加速度积分速度与位移的方法

在地震工程、结构振动控制和结构健康监测等研究领域,结构在振动过程中的位移和速度对科学研究和实际工程应用都具有重要意义.由于技术条件及环境因素限制,测试过程中获得的大多为加速度响应信号,需要通过积分获得速度及位移.但是由于初始条件的缺失,导致了测试加速度信号在积分速度和位移过程中产生明显的漂移现象.为解决此问题,本文利用结构的振动规律,在稳态振动阶段寻找速度和位移的零点,并以此作为初值进行积分,最后利用趋势项处理去除零点确定误差产生的漂移.本文数值模拟了单自由度体系和多自由度体系在简谐振动和地震动作用下的结构振动响应,并比较了计算值与准确值的最大相对误差;最后,将该方法应用于5条具有代表性的真实地震动记录,与给出的地面速度和位移进行比较,结果显示在极值处的最大相对误差均小于3%,表明该方法具有较高的计算精度和实际应用价值.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

高速铁路无砟轨道疲劳检算轮载的动力学分析

应用列车-线路耦合动力学理论及仿真软件,分析了高速运营线路轮轨系统动力学响应并与实测结果进行了验证.在此基础上,采用我国典型高速车辆及无砟轨道结构,系统分析了高速铁路无砟轨道不平顺谱对轮轨动作用力大小及统计特性的影响规律.结果表明,列车-线路耦合动力学方法可以比较准确地模拟高速行车条件下轮轨动力相互作用,取百分位数75的无砟轨道谱作为激励输入可用于评估轮轨系统动力相互作用及高速行车安全性和舒适性,高速铁路无砟轨道结构的疲劳检算取为静轮重的1.5倍是合理的.     

内燃机车司机室隔振性能优化研究

柴油机与发电机动态激励是内燃机车的主要激振源之一,其激起的振动通过车体底架传递至司机室,引起司机室振动,设计科学合理的司机室隔振结构与参数对提高司机室结构可靠性与乘坐舒适性具有良好的理论指导意义与工程实用价值.本文针对某型内燃机车司机室隔振问题,建立了机车司机室6自由度动力学理论模型;结合隔振原理、能量解耦原理、生物遗传算法建立了机车司机室隔振优化分析方法,获得了司机室隔振参数的合理配置方案;最后,通过有限元法仿真分析了实测柴油机与发电机激振下隔振参数改进前后的司机室振动响应,验证了提出的隔振方案的有效性.     

高铁综合交通枢纽车站结构振动传播的测试分析

为深入研究高铁型综合交通枢纽车站在各类高铁列车低速进出站引起的振动传播特性与枢纽结构特性的关系,对南昌西站候车层进行大型现场实测.在候车大厅布设四类测点,从时域及频域方面研究高铁列车低速进出站引起的振动在候车层垂轨向和顺轨向的传递特性,同时研究梁柱、伸缩缝等不同结构位置对振动传播特性的影响.实测研究结果表明:振动传播受枢纽车站结构形式影响很大,梁柱结构的约束作用对高于40 Hz的高频振动传播抑制明显,大跨结构板跨中点振动响应最大;伸缩缝边缘出现振动响应显著增大现象,需要考虑此类三边支撑悬臂板板边位置的减振;综合交通枢纽车站的建桥分离结构,可以极大地阻隔40 Hz以上的高频振动,但低频振动仍可由结构-大地-结构传递,且衰减量很小;综合交通枢纽车站内综合竖向振动响应均大于水平向,占主导地位,但从分频频段来看,在低于5 Hz的低频段,水平振动大于竖向振动,同时水平振动传播衰减,受结构梁柱约束作用影响不明显.     

沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型及动力设计方法

振动、滑移和提离摇摆是动力荷载作用下沉箱式防波堤的3种基本运动形式, 建立了沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动的动力模型和数值模拟方法, 对近破波冲击作用下沉箱式防波堤的运动过程进行了数值模拟, 计算了振动模型、振动-滑移运动模型、振动-提离摇摆运动模型和振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型下沉箱的位移、转角、滑移力和倾覆力矩的响应时程, 研究了沉箱运动模型对防波堤运动特性和稳定性的影响, 分析了近破波冲击作用下允许沉箱式防波堤出现滑移和提离摇摆运动的动力设计概念的可行性.     

基于显-隐式格式的三维时域土-结相互作用分析的异步并行算法

提出了一种分析三维时域土-结构动力相互作用的并行计算方法.该方法利用显式和隐式积分格式各自的优点,采用集中质量显式有限元和黏弹性人工边界模拟无限域地基,采用隐式积分格式有限元法计算上部结构的响应,两者可采用不同的时间步距.在此基础上,采用MPI通信协议,提出了土-结构系统中土体区域的并行计算方法,以及土体区域与结构间的异步并行计算方法,并通过自编的Fortran源程序实现了地震作用下土-结相互作用分析的并行计算.以某一核电结构模型为例,分别采用串行算法和并行算法分析了土-核电结构体系在SV波输入下的反应,验证了本文并行算法的可行性和高效性.     

地震激励下深水桥墩的随机振动分析

深水桥墩属于一类浸没在深水区域中的细长结构,在地震激励下不能忽略动水压力效应以及非线性效应,又鉴于地震激励的随机特性,因而地震激励下深水桥墩的动力学问题可归结为一个非线性随机振动问题,需开展非线性随机振动研究.为此,本文首先建立深水桥墩的非线性随机动力学模型,包括:将桥墩简化为固定在岩石地基上的悬臂梁;采用Kanai-Tajimi过滤白噪声模型模拟地震动加速度过程;利用辐射波浪理论描述动水压力以及凯恩方法推导深水桥墩系统的运动方程.随后,运用标准随机平均法将系统运动方程近似为关于幅值的平均伊藤方程,建立并求解相应的FPK方程以获得该系统的近似稳态概率密度函数.最后,分别考察了激励强度,质量比以及浸入比对系统稳态响应的影响,并采用蒙特卡罗模拟验证理论解析解的有效性.结果表明:理论解析解与蒙特卡罗模拟结果相当吻合,理论解析解具有较高的精度;激励强度的增强、质量比的增加以及浸入比的提高均会对桥墩的稳态响应产生负面影响,即放大了系统的响应;动水压力效应降低了质量比对系统响应的影响程度;桥墩内域水体的存在也会放大系统响应,且这种影响会随着浸没比的增加而增加.本文的研究结果对于深水桥墩的抗震优化设...     

润扬大桥斜拉桥实测响应的 小波包分析及其环境变异性研究

将环境荷载激励技术与小波包分析技术相结合, 提出了环境激励下基于小波包能量谱的大跨斜拉桥结构损伤预警方法. 在此基础上对润扬大桥斜拉桥结构的实测加速度响应进行了小波包分析, 详细地考察了环境激励下斜拉桥实测小波包能量谱及其损伤预警指标的环境变异性. 分析结果表明, 实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与斜拉桥实测小波包能量谱存在较为明显的相关关系, 主要表现为环境温度的变化对小波包能量谱的影响是长期性的趋势, 而交通荷载和风荷载的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化. 实测数据的分析结果进一步表明, 基于小波包能量谱的结构损伤预警指标 ERVD能够敏感地表征环境温度和台风激励对润扬大桥斜拉桥振动特性的影响. 因此, 结构损伤预警指标ERVD适合于环境振动测试下的大跨斜拉桥结构的实时损伤预警.     

基于异构数据模型的电-气耦合网络状态感知方法研究

随着电力、天然气网络开放互联,多能流耦合在实现能源科学管理与优化调度的同时,彼此间能量转换使得原本独立能源网络的状态感知复杂度增加.因此,在实现快速分析及考虑耦合网络特性的基础上,本文提出一种针对多维电-气耦合网络的异构数据模型状态感知方法.首先,针对子网络交互影响以及相应检测变量变化过程,构建出刻画不同子网络时间响应特性的异构数据模型.然后将构造的模型通过归一化及函数转换得到对应的协方差矩阵提高节点数据变化灵敏度,并且将状态感知判断转化为随机矩阵谱差异值变化程度的分析.在确定网络状态改变的前提下,根据谱分布对应的最大特征向量得到发生变化的网络节点,从而完成整个耦合网络状态感知过程.最后对不同电-气耦合网络状态改变情况进行仿真,仿真结果验证了本文所提方法的可行性与有效性.     

高速铁路轨面粗糙度测量方法与分析

分别采用间接法和直接法对高速铁路无砟轨道钢轨表面粗糙度进行了测量和分析.轨面粗糙度的间接测量法采用现场实测的钢轨加速度、钢轨振动纵向衰减率,并结合轮轨动力学计算得到的粗糙度-钢轨垂向加速度传递函数,推导得出轨面粗糙度1/3倍频程谱.轨面粗糙度直接测量法采用钢轨表面粗糙度仪对高速铁路钢轨表面进行直接检测,并对实测数据进行趋势项去除、异常值去除与时间-频率变换后得到轨面粗糙度1/3倍频程谱.将两种方法所测粗糙度频谱与欧洲粗糙度限值谱进行对比,结果表明:两种粗糙度测量方法均可得到较为可靠的结果,所测高速铁路轨面粗糙度在0.05 m以上波长范围小于国外限值,而0.05 m以下波长范围大于国外限值,应予以控制.     

阶梯轴-柔性盘耦合系统振动特性分析

传统的地面旋转机械轮盘类结构刚度较大,在转子动力学分析中多将其假定为集中质量点,而在航空发动机中为了满足减重的需要,轮盘较为轻薄,其柔性不可忽略.目前针对转轴和柔性盘耦合系统振动特性的研究还较少,为了弥补这一研究的不足,本文结合假设模态法和有限单元法,采用有限元-半解析混合建模法,建立了阶梯轴-柔性盘的动力学模型,其中阶梯轴采用铁木辛柯梁模拟,柔性盘则使用半解析方法建模,基于Lagrange方程和Galerkin方法,推导出系统的运动微分方程;然后分析了在静止和旋转状态下阶梯轴-柔性盘耦合系统的固有特性,并采用ANSYS软件仿真和模型实验验证了所开发模型的有效性;最后分别在刚性盘和柔性盘假设下,求解对比了系统的幅频响应,揭示柔性盘对系统高阶振动的影响规律.     

多场耦合下基于传递熵的电路板级焊点疲劳寿命模型

针对实际服役条件下电路板级焊点失效引起的电子设备故障问题,基于单一时间因子传递熵方法,建立了振动与温度耦合条件下的焊点非经验疲劳寿命模型.首先,通过分析焊点裂纹萌生前后的能量变化,构建了能够表征焊点结构损伤的平均能量测度指标.其次,根据该指标在焊点微裂纹出现前呈现出的单调性特点,建立了用以评估焊点疲劳寿命的公式.最后,设计振动与温度耦合条件下的焊点加速寿命试验,基于实时获取的焊点结构动态响应信号,验证该模型的准确性与适用性.试验结果显示,该模型能够有效识别焊点的损伤状态,疲劳寿命预测结果误差在1 5%以内.     

考虑压-弯-剪共同作用的退化桥墩抗震性能及地震易损性分析

服役中的桥梁往往处于氯离子侵蚀的恶劣环境,钢筋混凝土(RC)桥墩作为主要耗能构件,在受氯离子侵蚀后钢筋会发生锈蚀劣化,导致桥墩的抗侧向能力发生退化,进而使其抗震性能衰减.准确建立压-弯-剪共同作用(AFSI)的锈蚀RC桥墩数值模型,是实现桥梁全寿命抗震评估的前提.本文首先基于修正压力场理论(MCFT)和纤维截面模型以及锈蚀理论建立了考虑AFSI的退化桥墩模拟方法.然后,以AFSI数值模型为基础,对一座中等跨径RC桥梁的桥墩进行了全寿命周期的抗震能力分析.最后,建立了算例桥梁的有限元模型,进行地震易损性分析,并研究了剪切作用对桥墩损伤概率的影响.研究结果表明,本文提出的AFSI模拟方法可有效对锈蚀RC桥墩进行模拟;在桥梁全寿命周期内,桥墩的抗侧向能力和耗能能力发生退化;锈蚀作用提高了桥墩在地震作用下的损伤概率,不考虑剪切作用将高估桥墩的抗震性能,低估桥墩的损伤概率,该特征在强震和锈蚀程度较高的情况下越发显著.     

基于随机-区间混合不确定性的风机性能可靠性分析

针对抑制风机性能失效的工程问题,基于可靠性分析理论,将拉丁超立方试验设计、近似模型与计算流体动力学分析技术相结合,研究了一种基于响应面的风机性能混合不确定性分析方法.该方法通过引入区间不确定性,有效地解决了由于缺乏实验样本而导致的知识不确定性建模问题,极大地扩展了可靠性分析技术在流体机械研究中的适用性.引入随机和区间不确定性参数对风机系统进行描述,基于传统的一阶可靠性分析方法,建立了风机性能的随机-区间混合可靠性分析模型.采用重整化群湍流模型计算了风机的流量、压力、轴功率、效率等性能参数,得到了性能函数.由于计算流体动力学的计算效率较低,研究了响应面求解混合可靠性模型的有效迭代算法,并计算了风机性能失效概率区间.应用该方法对某轨道交通列车风机性能进行研究,分析了风机全压的失效概率和可靠性指标与不确定参数的灵敏度问题,甄别了不确定性参数对系统可靠性的影响,并从可靠性角度提出了提高风机性能可靠性的工程措施.     

刚交错桁架结构的抗震性能分析

为研究新型结构体系-钢交错桁架结构在地震作用下的动力特性,首先提出一种新的计算模型--伪空间模型,在通过模态分析和Pushover分析验证了由伪空间模型研究钢交错桁架结构横向抗震性能的可行性之后,对10层、15层和20层钢交错桁架结构分别进行IDA分析,并通过分析结构的动力响应,评估其抗震性能,研究成果对分析钢交错桁架结构的动力特性具有一定意义.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

桥梁健康监测海量数据分析与评估——“结构健康监测”研究进展

详细介绍了国家杰出青年科学基金项目＂结构健康监测＂（项目号：50725828）研究进展.该项目针对桥梁环境荷载和静动力响应等海量监测数据的处理分析与评估迫切需求,并紧密结合大跨斜拉桥和悬索桥的结构特点,系统地研究了大跨斜拉、悬索桥梁服役环境作用监测与效应模拟技术、动力性能监控与异常预警技术以及关键构件状态评估与运营维护技术.主要包括：①基于温度、日常风和台风监测数据提出了大跨桥梁服役环境作用模型与模型参数确定方法,并结合大跨桥梁多尺度基准有限元模拟方法研究了桥梁服役荷载效应模拟技术;②基于振动监测数据建立了大跨桥梁整体动力特性参数以及斜拉桥拉索索力、悬索桥主缆和吊杆内力的在线识别方法,形成了＂环境条件归一化＂的桥梁运营状态监控与异常预警技术;③基于应变、梁端位移等监测数据开展了服役环境下钢箱梁焊接细节疲劳荷载效应、主梁伸缩缝的温度和车载效应分析方法研究,形成了桥梁关键构件服役性能监控和寿命评估技术.     

超灵敏、宽频域新型柔性仿生振动传感器

信息化社会对电子产品的柔性化、便携性(轻薄、可折叠、可穿戴)的需求日益增加,最近的研究表明,利用碳纳米管优异的电学、力学特性和纳米尺度效应而设计出的柔性纳米传感器表现出更高的灵敏度、更快速的响应-恢复时间等优异的特性.本文基于多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube,MWNT)复合材料,采用一种简单喷涂成膜的方法制备了具有空腔结构的柔性仿生振动传感器,该柔性仿生振动传感器时间分辨短(22.7μs),信噪比高(55 dB),检测范围宽(20~22000 Hz),可以高质量地实时检测并记录声音信息,在声音检测以及构筑电子耳膜来治疗耳膜损伤导致的耳聋等方面提供了新的可能性方案.     

聚苯胺-十二烷基苯磺酸/有机蒙脱土纳米复合材料的合成与表征

以十二烷基苯磺酸(DBSA)为掺杂剂和乳化剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,采用乳液插层聚合(emulsion intercalated polymerization)方法合成了十二烷基苯磺酸掺杂聚苯胺/有机蒙脱土纳米复合材料(简称PANI-DBSA/organo-MMT).研究表明,在苯胺、DBSA、APS三者物质量比为1:1:1时,苯胺与有机蒙脱土(organo-MMT)质量比为1:3时,复合材料的电导率最高可达2.63 ×10-2 s/cm.用XRD、FT-IR、TGA和SEM对复合材料进行了表征,结果表明PANI-DBSA能够有效地插层到有机蒙脱土层间,并在蒙脱土表面形成包覆结构,形成连续的导电相,从而使复合材料具有良好的导电性.TGA试验结果表明复合材料的热性能较本体聚合物得到有效改善.