一类双边碰撞振动系统的随机响应研究

碰撞过程凭借瞬时冲击模型得以简化,但采用经典的Newton恢复系数模型为计算带来了误差。本研究引入修正的恢复系数模型取代经典的Newton恢复系数模型,预测了一类宽带噪声激励下双边碰撞振动系统的随机动力学响应。位移的碰撞条件借助自由振动系统被转化为能量的碰撞条件。根据系统的能量水平,系统的运动可被分为双边碰撞和无碰撞振动两类。进一步地,两类运动的平均漂移系数和扩散系数可借助能量包线随机平均法求解获得。在此基础上,建立并求解对应的Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK)方程,进而得到系统的稳态响应。最后,将所提方法应用于Duffing振子,讨论了屈服速度、挡板间距和噪声激励对响应的影响,并用蒙特卡罗模拟验证了所述方法的有效性。

基于ISSA-SVM的复合绝缘子伞裙硅橡胶材料老化评价方法研究

复合绝缘子作为高压输电线路主要绝缘部件,其伞裙硅橡胶材料在自然运行环境下出现老化、劣化等现象后,会影响绝缘子的憎水性能和绝缘性能。现有的复合绝缘子检测手段有限,样本数据积累不易,导致评价指标难以确定。文章通过摘取现场运行的复合绝缘子,比较不同老化、劣化特征下伞裙表面和基体的Si-O-Si、Si-CH3、C-H基团的傅里叶红外光谱吸收峰,结合ISSA-SVM算法模型,实现复合绝缘子的老化程度分级,整体分类准确率为89%,其中重度老化分级准确率为97.3%,为实现基于傅里叶红外光谱的复合绝缘子伞裙硅橡胶材料老化评级提供新思路。

受损悬索对称性破缺下非线性耦合振动研究

对称性是振动理论中5大美学特征之一,然而对称性破缺又难以避免.本文以工程中常见的易损结构—悬索为例,探究当该系统遭遇非对称性损伤时,对称性破缺对其面内耦合振动特性影响.首先建立受损悬索面内非线性动力学模型,并采用Galerkin法得到离散的无穷维微分方程.利用多尺度法计算该非线性系统发生面内耦合共振响应的调谐方程.截取前9阶模态,利用数值计算方法得到无损和受损悬索的各类共振曲线及其稳定性,通过计算最大李雅普诺夫指数来确定系统的混沌运动.研究结果表明:已有研究常采用抛物线模拟悬索静态构形,然而一旦发生不对称损伤,采用分段函数更能准确描述悬索受损后的静态构形;对称性破缺会导致悬索固有频率之间的交点变为转向点,其正、反对称模态均变为非对称模态;受损后悬索的非线性相互作用系数会发生显著改变,其内共振响应会产生明显变化;当激励直接作用在高阶模态时,无损系统会呈现出单模态解和内共振解,而受损系统并没有呈现出明显的单模态解;受损系统的分岔和混沌特性会发生改变,系统将通过倍周期分岔产生混沌运动.

随机激励下滞迟系统的稳态响应闭合解

滞迟系统属于一类典型的强非线性系统,滞迟力不仅取决于系统的瞬时变形,还与变形历程有关.虽然滞迟系统的随机振动问题已被广泛研究,但至今尚未得到滞迟系统随机响应概率密度函数的精确闭合解.本文运用迭代加权残值法获得了高斯白噪声激励下Bouc-Wen滞迟系统稳态响应概率密度函数的近似闭合解.首先,运用等效线性化法求出系统的稳态高斯概率密度函数;然后以此构造权函数,应用加权残值法求得了系统指数多项式形式的非高斯概率密度函数;最后引入迭代的过程,逐步优化权函数,提高计算所得结果的精度.以随机地震激励下钢纤维陶粒混凝土结构的稳态响应作为算例,其中Bouc-Wen模型的参数是基于拟静力学试验数据,并应用最小二乘法辨识获得.与Monte Carlo模拟结果相比,等效线性化法得到的结果精度较差;由加权残值法得到的结果能够表现出非线性特征,但其精度依然无法令人满意;采用迭代加权残值法得到的近似闭合解与Monte Carlo模拟的结果吻合非常好;对于较强随机激励情形,采用渐进迭代加权残值法具有较高的求解效率,所获得的理论解析解具有较高的精度.结果表明,所获得的近似闭合解不仅对于土木工程领域具有重要的实际应用价值,而且还可作为检验其他非线性系统随机响应预测方法的精度的标准.

泊松白噪声激励下斜拉索的面内随机振动

目前针对斜拉索非线性随机振动的研究已广泛开展,但仅限于高斯随机激励情形。然而,现实中大部分的随机扰动都是非高斯的。若使用高斯激励模型将产生较大误差。假设拉索所受非高斯激励为泊松白噪声,研究了泊松白噪声激励下斜拉索面内随机振动。推导了受泊松白噪声激励的斜拉索面内振动的随机微分方程,建立了支配系统平稳响应概率密度函数的广义FPK方程。提出迭代加权残值法求解了四阶广义FPK方程,得到了系统响应概率密度函数的近似稳态闭合解。考察了垂跨比、阻尼系数以及脉冲到达率对拉索面内随机振动响应的影响。结果表明:拉索的响应随着垂跨比的增大,响应呈现不对称现象愈加明显;随阻尼比增加,系统响应得到显著抑制;当脉冲到达率增大,拉索的响应也随之增大,并逐渐接近于高斯白噪声激励的情形。另外,获得的理论结果与蒙特卡罗模拟的结果吻合地非常好。

海岛运行复合绝缘子伞裙力学性能及破损特征

海岛复合绝缘子运行在盐含量高、湿度高、日照辐射强烈的环境,其老化状态是令人关心的问题,开展复合绝缘子伞裙老化特征评价对于掌握硅橡胶老化状态十分重要。为此选取了在海南岛运行的39支不同电压等级、运行年限和生产厂家的复合绝缘子开展了伞裙力学性能和破损特征的测试评价,通过电子万能试验机测定了伞裙的拉伸强度和断裂伸长率,分析了运行不同年限绝缘子伞裙的力学性能特征及变化规律。结果表明:复合绝缘子不同部位伞裙的拉伸强度和断裂伸长率基本一致,不同部位处的差异不影响对伞裙力学性能的判别。外观破损伞裙与未破损伞裙力学性能存在明显的界限——破损阈值,破损拉伸强度阈值为4.4MPa,破损断裂伸长率阈值为1.1,伞裙力学性能低于破损阈值时易发生破损。随着运行年限增加,伞裙破损比例增加。随着伞裙断裂伸长率降低,伞裙拉伸强度开始变化不大,之后呈线性下降的趋势,在下降阶段伞裙容易破损。

介电模量频域特性的理论分析及其应用于油纸绝缘水分含量评估的研究

油纸绝缘是以变压器为代表的重要电力一次设备的典型绝缘结构,对油纸绝缘结构的绝缘状态进行准确的评估对于确保电网系统安全稳定运行具有重要意义。文中在理论分析和数据实测的基础上,首次提出了利用介电模量这一参量的频域特性来对介质的绝缘状态进行评估的方法。首先,基于经典电介质物理理论分析了介电模量的内涵;其次,通过与传统的频域介电谱相比较,分析了介电模量的频谱在表征电介质弛豫现象的典型特点;为进一步说明介电模量的频谱特性,文中以油纸绝缘的常见缺陷——受潮为例,得到了介电模量频谱特征参量与油纸绝缘含水量定量关系,从而显示介电模量谱在现场绝缘评估中的优势。通过文中的研究表明,介电模量谱作为绝缘结构状态评估的有效手段,具有进一步深入研究的理论和试验价值。

宽带噪声激励下带有分数阶控制器的强非线性系统的随机平均技术

运用随机平均法研究了宽带噪声激励下带有分数阶PI~λD~μ控制器的强非线性系统.首先,应用广义谐波平衡技术,将分数阶PI~λD~μ控制力分解为幅值依赖的等效拟线性阻尼力和拟线性回复力,得到了受控整数阶等效非线性系统.然后,运用基于广义谐和函数的随机平均法得到关于幅值的平均伊藤微分方程.最后,建立并求解相应的简化Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程,得到稳态概率密度函数.作为算例,考察了Duffing-van de Pol振子.数值结果表明随机平均法能够达到较高的精度,分数阶PI~λD~μ控制器能够对系统响应进行有效的控制.此外,宽带噪声参数ξ_i、ω_i及D_i改变时,本文提出的方法仍具有较好的适用性,分数阶控制器仍同样具有非常好的控制效果.

Ru掺杂MoS_(2)对SO_(2)F_(2)和H_(2)S气体吸附的第一性原理研究

本文基于第一性原理探讨了Ru掺杂的单层MoS_(2)(Ru-MoS_(2))的结构及其对SF_(6)绝缘设备中的两种主要分解气体SO_(2)F_(2)和H_(2)S的传感和吸附行为。Ru原子进入硫空位从而产生Ru-MoS_(2),结果表明,Ru-MoS_(2)对SO_(2)F_(2)和H_(2)S气体的吸附能(E_(ad))分别为-1.52和-2.11 eV,属于化学吸附。通过能带分析(BS)和态密度(DOS)分析进一步证明了两个体系的吸附性能,并阐述了Ru-MoS_(2)用于电阻式气体传感器时的气体吸附传感机制。除此之外,本文在理论上探索了不同温度下Ru-MoS_(2)解吸附SO_(2)F_(2)和H_(2)S的恢复时间,在598 K温度下,SO_(2)F_(2)吸附体系的恢复时间为6.40 s,展示出该新型材料在高温下对气体的可恢复性。本文研究内容为Ru-MoS_(2)检测SF_(6)绝缘设备中的两种主要分解气体SO_(2)F_(2)和H_(2)S提供理论基础,从而促进电力系统的稳定运行。

泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解

自然界与工程中都普遍存在着随机扰动,且大多数呈现出固有的非高斯性质,若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差.泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型,已引起了广泛的关注.目前,泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究,而针对瞬态响应的求解难度仍较大,需进一步发展.本文引入径向基神经网络,提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法.首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov(FPK)方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络;然后采用有限差分法离散时间导数项,并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数;最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数.作为算例,探究了两个经典强非线性系统,并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证.结果表明:本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好,并且算法具备较高的计算效率.在系统响应的整个演化过程中,本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征.此外,本文方法所获得的高精度半解析瞬态解,不仅可作为基准解检验其他非线性随机振动分析方法的精度,对于结构的优化设计也存在巨大的潜在应用价值.

BFRP管混凝土柱抗震性能研究

为适应复杂的海洋环境,该研究提出玄武岩纤维增强聚合物(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)管钢筋混凝土柱,并采用拟静力试验和有限元软件OPENSEES研究其抗震性能,探讨BFRP管厚度、轴压比、长细比、纵筋直径和屈服强度对BFRP管钢筋混凝土柱破坏机理和抗震性能的影响规律。研究结果表明:试件的滞回环都比较饱满,均发生弯曲破坏;BFRP管厚度的增大使试件的承载力和耗能性能小幅提高,强度退化放缓;轴压比大的试件承载力高,耗能性能较强,但变形能力差,强度以及刚度退化较快;长细比的增大使试件的滞回曲线变得更为瘦长,整体刚度、峰值荷载、累积耗能大幅降低,同时极限位移明显增大;增大纵筋直径和提高纵筋屈服强度均可使试件的滞回曲线愈加饱满,初始刚度、峰值荷载以及累积耗能也得到有效提高。BFRP管混凝土柱相比于钢筋混凝土柱,多项抗震性能指标都比较优异,但是与钢管混凝土柱相比仍存在一定差距。

基于第一性原理的Mo_(3)N_(2)晶体对SF_(6)分解组分吸附特性研究

对SF_(6)分解组分进行检测是对电力设备运行状态进行评估,以确保设备能安全稳定工作的有效措施之一。本文基于第一性原理仿真软件Materials Studio对SF6的两种特征分解组分气体在Mo3N2表面上的吸附过程进行理论计算。从吸附能、吸附距离、转移电荷、带隙、能态密度图等方面对其在传感器领域的可行性做了评估。结果表明,Mo_(3)N_(2)上对H_(2)S,SO_(2)F_(2)的吸附能均大于0.800 eV,且SO_(2)F_(2)气体分子在吸附后发生形变裂解,Mo_(3)N_(2)基底的原子排布些许错位,均为化学吸附。Mo_(3)N_(2)吸附两种气体后带隙降为0,转变为金属性。本文的所有理论计算研究对检测与清除SF_(6)分解组分气体的材料选型提供理论依据。

基于Hertz接触的单自由度碰振系统的随机响应近似闭合解

碰振系统普遍存在于工程领域中,因此开展碰撞振动的研究具有重要的实际意义。应用随机振动研究的最新成果--迭代加权残值法,求解了高斯白噪声激励下基于Hertz接触的单自由度碰振系统的随机响应近似闭合解。首先,结合概率环流和概率势流的概念,构造系统FPK方程稳态解的近似表达式;然后,运用加权残值法获得近似表达式中的待定系数;最后,应用迭代技术在指定均方误差下获得特定精度的概率密度估计。为了说明该方法的有效性,分别考察了Duffing碰振系统和干摩擦碰振系统,再将蒙特卡罗模拟结果与理论解析解进行对比验证。研究表明,理论解析解与模拟结果吻合的非常好。

GIS设备局部过热故障程度与SF_6分解的关联特性

为了获取不同过热温度下的SF_6分解组分特征信息,文中通过实验研究了故障温度为260~500℃之间的SF_6局部过热分解特性,通过对实验数据处理分析研究了不同过热故障严重程度与分解组分特征信息之间的关联特性。研究表明:随着过热温度的增加,总分解量CT、硫化物分解量CT_1、碳化物分解量CT_2都有增长趋势;各组分有效产气速率R_(RMS)都与过热温度具有极强的关联性,分解组分产气速率越高,表明SF_6电气设备过热故障越严重;特征比值C_(SO_2F_2+SOF_4)/lgC_(SOF_2+SO_2)及其有效值TCR_(RMS_1)(TCR_1)可作为衡量POF严重程度的特征指标,该比值越大,表明故障越严重;CT_2/lgCT_1或及其有效值TCR_(RMS_2)(TCR_2)可作为表征POF是否涉及到含碳金属构建劣化程度,该比值越大,表明金属劣化越严重。

台风环境下配网用玄武岩纤维复合横担结构选型及力学特性仿真研究

首先,根据区域台风历史极限风速修正了横担应用的气象条件,从理论上分析了风吹导线、风吹横担以及断线工况下风荷载数值以及断线张力大小;然后,针对各地区情况设计了4种矩形截面的横担,并通过受力分析确定了芯棒的最优截面;最后,利用仿真软件分析了结构的应力、应变特性。在极限台风风速60 m/s条件下,推荐使用规格为34 mm×54 mm的复合横担芯棒截面。在风以极限风速吹扫导线工况下,最大弯曲应力产生于芯棒与中央金具上边缘相接处,数值为121.76 MPa;此时,芯棒截面最大剪切应力为40.502 MPa,位于芯体与中间金具相接的下边缘。以上结果满足芯体的弯曲以及剪切应力要求。若考虑平均台风风速24.7 m/s,则推荐复合横担芯棒截面尺寸采用28 mm×42.5 mm规格。该研究结果可为玄武岩纤维增强复合横担的结构优化以及应用提供参考。

湿热环境下复合绝缘子伞裙老化快速检测及评价技术研究

现有的复合绝缘子检测评价技术以离线方式为主,难以对大规模运行中绝缘子的老化程度开展快速、便捷的判断。本文提出一种基于高光谱技术的复合绝缘子表面老化程度快速检测及评级方法。首先通过比较老化复合绝缘子伞裙和基体的Si-O-Si、Si-CH_(3)傅里叶红外光谱吸收峰对老化程度进行分级,然后利用高光谱数据并结合SVM算法模型对绝缘子老化程度进行分类。结果表明:“轻度、中度、重度”老化分类的准确度为71.8%,“轻度、重度”分类的准确度为97.3%。通过强度阈值分割方法,可以从复合绝缘子图像中剔除污损区域,抽取出老化区域。

旗帜型滞迟系统的首次穿越失效研究

自复位结构作为一种新型的抗震结构模型受到广泛关注,但这类结构的随机振动问题是技术上的难点,而首次穿越失效作为结构可靠性分析的一个重要模型,则属于非线性随机振动研究中最为困难的问题之一。本文针对随机地震激励下旗帜型滞迟系统的首次穿越失效问题。将旗帜型自复位恢复力在广义谐波平衡技术下应用,近似为幅值相关的等效阻尼和等效刚度组合,从而推导出系统运动方程的等效系统;利用随机平均原理导出关于幅值的平均It?微分方程;采用有限差分法并结合适当的边界条件和初始条件,求解与上述方程对应的后向Kolmogorov(BK)方程,得到首次穿越时间的条件概率密度函数和条件可靠度函数。作为算例,分别讨论了两种随机地震激励模型作用时,系统参数对条件可靠性函数与首次穿越时间的条件概率密度函数的影响。另外,通过与对原方程的蒙特卡罗模拟数据的对比,验证了理论解的有效性。

Pd掺杂SnP_(3)单层对SF_(6)分解组分吸附的第一性原理研究

利用气敏传感器检测SF 6分解组分信息可评估GIS设备运行状态,及早发现绝缘缺陷。金属掺杂的SnP_(3)单层有着良好的吸附性能,在气体检测领域具有应用前景。本文基于第一性原理计算并分析了Pd-SnP_(3)单层吸附SO_(2)、H_(2)S、SOF_(2)和SO_(2)F_(2)后体系的吸附能、态密度、能隙与解吸时间等参数,探讨其用于气体传感器的可能性。结果表明:在吸附性能方面,Pd-SnP_(3)单层仅对SO_(2)F_(2)发生了化学吸附,且结合态密度、差分电荷密度与转移电荷分析进一步验证了该材料对SO_(2)F_(2)的吸附效果明显优于SO_(2)、H_(2)S和SOF_(2);在传感特性方面,仅有SO_(2)F_(2)的吸附使体系的能隙发生了明显变化,且该气体可在398 K及以上温度下从Pd-SnP_(3)单层表面快速脱吸附。综合分析,Pd-SnP_(3)单层对SO_(2)F_(2)具有高选择性和检测性。因此,Pd-SnP_(3)单层具有成为检测SO_(2)F_(2)气敏材料的潜质。本研究为Pd-SnP_(3)单层在气敏材料领域的应用提供理论基础。

微量水分对SF6局部过热分解特征组分生成的作用机制

SF6气体绝缘设备在运行过程中,其内部不可避免地会存在接触不良、磁饱和、磁短路等缺陷,或出现过载故障,可能导致SF6气体绝缘设备出现局部过热性故障(POF)。在POF作用下,SF6分解特性与设备中微量的H2O含量关系极为密切。本文依据微量H2O对各分解特征组分的生成影响机制,进一步研究了微量H2O与表征POF故障属性的特征量之间的内在联系。结果表明:微量H2O对各分解产物特征的生成量有不同程度的影响,但微量H2O与生成各特征组分的中间产物作用的速率具有明显差异,导致了不同分解特征组分生成量与微量H2O含量的内在关系区别显著。

随机激励下自复位结构首次穿越失效研究

自复位结构遭受地震或强风荷载时,会发生显著的非线性随机振动,这可能导致结构的运行性能大大降低,甚至完全失效.本文旨在研究随机激励下双自由度自复位结构的首次穿越失效问题.应用广义谐波平衡技术,将自复位恢复力进行分解,获得等效随机系统;利用随机平均原理推导出关于幅值的平均Ito随机微分方程;求解后向Kolmogorov(BK)方程得到首次穿越时间的条件可靠性函数和条件概率密度函数通过.作为算例,选用金井清滤波白噪声模型,分析了激励强度D及土层阻尼比ξg取值变化时对条件可靠性函数和条件概率密度函数的影响.通过与Monte Carlo模拟得到的结果进行对比,验证了解析解的有效性.