桥梁预拱度对行车舒适性的影响及桥面线形调整

为研究成桥预拱度对连续刚构桥行车舒适性的影响,以多座主跨跨径为110~200 m的连续刚构桥为研究对象,首先,采用滤波白噪声法建立桥面时域模型,并与按余弦曲线设置的成桥线形叠加模拟成桥后的桥面不平度;其次,采用MATLAB/Simlink搭建车辆-桥面系统模型,以加速度均方根值(RMS)作为桥梁边跨、中跨桥面的行车舒适性评价指标,以最大瞬态振动值(MTVV)作为边跨峰值处短时内的行车舒适性评价指标;最后,分析采取经验法按照余弦曲线设置成桥预拱度的桥梁其跨径和设计时速对边、中跨RMS值的影响,以及成桥预拱度取值对边跨3L/8处MTVV值的影响。研究结果表明:在边跨、中跨处RMS值均小于0.315 m/s^(2),说明采取经验法按照余弦曲线设置成桥预拱度并不影响中跨处的行车舒适性;在边跨3L/8处MTVV值在短时内存在大于0.345 m/s^(2)的情况,说明在边跨峰值处短时内会产生一定不舒适感。提出了一种基于桥面铺装层施工优化边跨3L/8处和边墩墩顶桥面线形的方法,改善了边跨的行车舒适性。

连续振动载荷在线复现控制技术研究

提出一种主从分布式振动试验方法,建立了连续振动载荷在线复现控制技术,研制了系统样机。其中,提出一种信号分帧处理与重构技术,解决了长时连续振动载荷的在线波形复现难题;提出一种基于多量级样本库构建与加权平均的传递函数动态估计方法,抑制了系统非线性对控制精度的影响;采用谱误差反馈修正方法,改善了系统的频域控制精度。开展了“1主2从”联台试验,结果表明:时域和频域控制精度良好,整体延迟时间在亚秒量级,全程总均方根值误差在1%以内,为主从分布式振动试验提供了关键技术支撑。

BTA深孔加工镗杆的横向随机振动

采用随机方法分析了蕴含轴向流动流体的BTA(boring and trepanning association)深孔镗杆在随机力下的横向随机动力行为。建模时考察了流固耦合镗杆承受的弯曲、拉伸和扭转变形;经Galerkin Method离散化处理,分析了BTA镗杆在有、无随机激励两种情况的特征值和特征频率对振动特性的影响;利用响应方差最大值和谱密度解析了BTA镗杆横向振动的临界转速与临界失稳频率;明确了镗杆随转速、刚度、初始轴向总力和剪切模量等参数变化对系统振动特性的影响机制:镗杆转速变化对系统稳定性不再具有单调性,随BTA镗杆转速持续增加,系统可历经两次转速的临界失稳,相继出现二次失稳和二次稳定;增加系统等效刚度和等效剪切模量会促进工作过程的稳定,改变轴向力对工作过程稳定的影响不明显;并以随机振动物理试验信号的功率谱分析,验证了理论仿真结果与试验结果的一致性。该研究在一定程度上揭示了BTA深孔工艺系统运动状态的复杂性,这种研究模式为进一步分析在复杂状态下的运动演化提供了更多的可能。研究结论为更好地理解BTA深孔镗杆工作时的随机动力行为提供了依据,也为BTA深孔工艺过程的振动控制和参数优化奠定了理论基础。

基于虚拟激励法的大跨度桥梁非平稳随机振动分析闭合解

针对大跨度结构考虑地面空间运动的非一致地震响应分析问题,结合虚拟激励法,应用傅里叶分析建立了结构非平稳随机振动响应演变功率谱分析的频域方法。建立的方法完全基于频域执行,给出了响应演变功率谱的闭合解表达式。由于实现了确定性调制过程与随机过程的有效分离,应用离散傅里叶变换进行计算不需要较高的采样分析频率就可以获得较好精度的数值结果。数值算例研究了某斜拉桥的考虑地面运动空间效应非平稳随机地震响应,与通常时频分析方法进行对比,验证了本文频域方法的正确性和有效性。

正弦扫描振动模拟瞬态振动环境等效性研究

使用正弦扫描振动模拟低频瞬态振动环境是航天工业的一种传统试验方法,其对产品的环境考核可能同时存在欠试验和过试验。首先对两者等效性进行分析,进而采用冲击响应谱、最大响应谱等相关理论,对等效正弦扫描振动试验条件制定中的扫描速率、阻尼系数进行了研究,并给出参数选择建议。最终提出了制定正弦扫描振动环境试验条件的步骤,为采用正弦扫描试验进行低频瞬态环境适应性考核提供借鉴。

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。

设置侧向限位阻尼器的层间隔震结构减震性能研究

对在隔震层设置侧向限位黏弹性阻尼器组成混合耗能结构随机激励下的减震性能进行了系统研究.首先,建立混合耗能结构的地震动方程,利用双过滤白噪声激励地震动的滤波方程,将该类激励下混合耗能结构的动力学问题精确转化为基于易于获得简明封闭解的白噪声激励问题.其次,基于复模态法和白噪声激励的Dirac函数性质推导了混合耗能结构系列响应(结构位移、层间位移和阻尼器阻尼力)的方差和0~2阶谱矩的简明封闭解.最后,通过算例在验证所提封闭解正确的基础上研究了混合耗能结构减震性能的影响因素.研究表明:层间隔震层以上楼层的结构响应量随着隔震层刚度的增大而增大;黏弹性阻尼器阻尼参数对隔震层以上楼层的影响特征为,结构位移在一定阻尼参数下可达到最小,而层间位移则随着阻尼参数的增大而增大.该研究可为层间隔震混合耗能结构的设计提供参考.

基于OFMD和FSC的滚动轴承复合故障诊断

针对滚动轴承的复合故障诊断问题,深入研究了一种基于优化特征模态分解和快速谱相关的复合故障诊断方法。首先,通过理论分析,提出脉冲能量因子指标来实现特征模态分解的参数选择以及最优分量的选取;然后,基于快速谱相关原理设计谱相关相对强度曲线和改进快速谱相关图,用于确定不同故障调制后对应的最优载波,对最优载波进行包络处理,从而分离轴承的复合故障特征,最终实现复合故障的准确性诊断。通过模拟故障试验和工程案例分析结果表明,该文所提方法相比于经验模态分解能够有效滤除噪声干扰,具有良好的鲁棒性,同时,避免了解卷积方法设定参数的缺陷,且与Autogram方法相比,能够有效分离复合故障特征,避免复合故障特征成分耦合。

可对角化矩阵特征值分解扰动问题的快速求解方法

针对特征值扰动计算的传统方法收敛速度慢的问题,提出了一种求解特征值扰动问题的快速迭代算法.首先,通过矩阵变换将初始矩阵的特征值扰动问题转化为对角矩阵的特征值扰动问题.然后,提出了一种快速迭代算法求解扰动参数,同时对算法的收敛性进行分析,并将其与基于摄动级数展开法导出的方法进行对比.再次,采用逐一求解特征值并进行矩阵降阶的策略,有效降低运算量.最后,通过2个算例分别展示算法的计算过程及其在结构模态参数追踪方面的应用效果.

波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的统计线性化方法及其在振动控制中的应用

针对海上浮式风机既有分析方法难以高效率地预测其随机动力响应这一问题,提出了一种基于统计线性化算法的波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的随机响应快速计算方法,并对其在浮式风机振动控制中的应用进行了研究。以Spar型海上浮式风机为对象,基于拉格朗日方程建立了其4-DOF的波浪耦合作用下的非线性模型,并验证了所建模型的准确性。在所建立的非线性模型基础上,提出了基于统计线性化算法的Spar型浮式风机随机振动分析方法,并从多方面对该方法进行了验证,结果表明该方法能将计算效率提升4,5个数量级,且具有足够精度。将该方法应用于浮式风机振动控制中,高效率地实现受TMD控制下的风机的控制参数优化和性能分析,得到了TMD的最优控制参数,发现TMD对浮式风机的振动控制效果有随海况等级的提高逐步降低的趋势。所提出方法兼具高精度、高效率和在不同海况下的普适性,同时也为海上浮式风机的设计优化、疲劳分析、可靠性验算等基于统计特性的研究提供了一种高效的分析方法。

基于DKF和稀疏约束的激励和响应估计

针对使用加速度测量响应进行激励和响应估计时发生低频漂移的问题,提出基于DKF(dual Kalman filter)和稀疏约束的激励和响应估计的方法.首先根据状态空间模型建立DKF算法,将激励和状态估计分开进行;然后考虑到激励的稀疏性和测量噪声的不确定性,根据压缩感知CS(compressive sensing)理论建立激励估计的不等式约束优化模型,利用伪测量PM(pseudo measurement)技术求解该优化问题,得到更新后的激励,进而利用模态叠加法重构各类型响应;最后通过数值仿真和简支梁试验验证本文方法的可行性.结果表明,当加速度传感器并置时,本文方法能够得到激励的稀疏解,通过对比激励、位移的时程曲线和频谱图发现,激励和位移的低频分量受到有效抑制,且对噪声具有较好的鲁棒性,在两个激励作用下依然能够保持激励的稀疏性.当加速度传感器非并置时,无法估计完整的空间稀疏激励,但是依然可以估计未知的响应.

爆炸分离冲击下中远场连接界面多点时域载荷反演方法研究

目的建立产品在爆炸分离冲击剖面下,中远场关键连接界面上多点激励时域载荷历程的识别方法,并分析评估结构的动力学响应特性。方法采用结构动力学分析方法,基于杜哈梅积分离散化,建立时域范围内产品上多个测点(包括多个自由度)与关键界面上受到的力载荷之间的传递函数,进而通过载荷识别获得该力激励,特别是在载荷识别过程中采用最速下降法克服识别算法的不适定性,最后通过有限元方法分析得到识别载荷作用下的结构响应,为评估结构动力学响应提供依据。结果反演获得了爆炸螺栓盒与产品连接关键界面上多点多个自由度的时域载荷,该载荷所产生的响应仿真值与多个测点实测数据吻合,并分析获得了结构的动力学响应分布。结论提出了一种针对爆炸载荷传递路径上中远场关键界面的多点动力学载荷的识别方法,并通过数值仿真验证了该方法的有效性,可支撑结构的动力学响应评估。

非平稳随机激励下高维非线性系统可靠度分析的概率密度全局演化方法

实际工程结构遭受的灾害性动力作用(如强风、地震等)往往具有显著的随机性和非平稳性。对复杂随机激励下高维非线性系统的动力可靠度进行精细化分析,对于实际工程结构的抗灾设计和优化具有重要意义。基于一般连续随机过程的降维概率密度演化方程,给出了一类非平稳随机激励下的高维非线性系统动力可靠度分析方法。具体地,若仅针对系统某一感兴趣物理量在给定安全域下的首次超越问题,则可以构造该物理量在安全域内的吸收边界过程,并建立其瞬时概率密度函数满足的二维偏微分方程,即降维概率密度演化方程。方程中的本征漂移系数是驱动概率密度演化的全局性物理驱动力,可以通过对原系统有限次代表性确定性动力分析获取的数据进行数值构造。采用数值方法求解降维概率密度演化方程,即可获得系统的动力可靠度解答。文中通过两个算例验证了该方法的有效性,并讨论了需要进一步研究的问题。

变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

不平整跑道激励下飞机起落架随机响应及可靠性分析

采用非线性二自由度系统构建了飞机起落架模型,通过时域噪声刻画了不平整跑道对飞机起落架系统的随机激励,并引入路面不平度系数描述了跑道的不平整程度;基于飞机起落架模型响应的概率密度函数及其统计量,开展了不平整跑道对飞机起落架系统影响规律的研究。应用随机可靠性分析方法以及人体振动舒适性理论,通过建立安全域和舒适域与系统响应之间的关系,分析了起落架模型在不同路面不平度系数下的可靠性,并对乘客舒适性进行了评价。研究结果表明:路面不平度系数越大,系统状态变量的波动越剧烈,系统的可靠性和舒适性与路面不平度系数呈一定的负相关性;在路面不平度系数较小的情况下,系统平均首次穿越时间以及舒适性受随机扰动的影响更加显著。

孪生数据驱动的大型矿井提升机主轴承随机振动系统的设计可靠性分析

设计阶段的大型矿井提升机主轴承随机振动系统的设计可靠性分析因试验样本不足,无法获取振动加速度响应的完备概率信息。提出了概率信息不完备下大型矿井提升机主轴承设计可靠性分析的技术路线:滚动轴承多尺度耦合系统动力学模型-振动加速度概率密度演化-概率密度演化路径随机过程建模-振动功率谱密度的概率分布-基于条件概率的设计可靠度计算。运用已采集的工况数据驱动建立滚动轴承多尺度耦合系统动力学模型,开展了振动加速度概率密度演化研究;基于概率密度演化和Karhunen-Loève展开,提出了滚动轴承振动加速度的非平稳随机过程建模方法,获得了滚动轴承振动加速度随机序列的孪生数据;研究了大型矿井提升机主轴承振动加速度功率谱密度的概率分布,并计算了大型矿井提升机主轴承在服役时间上的设计可靠度指标。

多轴平稳非高斯随机振动试验控制方法

多轴向平稳非高斯随机振动控制试验能够对指定响应信号的时、频域特征进行同时控制。提出了一种快速生成具有指定功率谱密度、斜度和峭度的平稳非高斯随机振动信号的方法。通过频率采样方法将目标功率谱密度设计成滤波器,利用非线性变换方法获取非高斯随机信号,再将此信号经过设计的滤波器以获得满足要求的非高斯随机信号。该方法简单、快速并克服了传统非线性变换方法的缺点。进一步将此方法应用于三轴向平稳非高斯随机振动试验中,给出了三轴向非高斯随机振动控制的闭环均衡步骤,此方法能够同时对信号的功率谱自谱、相干系数、相位差以及斜度和峭度进行解耦控制。进行了三轴向平稳非高斯随机振动控制试验,三个方向上加速度信号的功率谱密度、斜度和峭度控制效果均令人满意,满足工程应用要求。

基于直接概率积分法的水下航行器随机动力响应高效分析

海洋是人类的资源宝库,随着海洋资源的不断发掘,海洋资源的探测与合理开发成为了当今世界各国广泛关注的热点,水下航行器的勘测活动也随之逐渐增多.然而,海洋环境具有极强的随机不确定性,给水下航行器的操作及轨迹规划带来了巨大影响.因此,准确预测随机海洋环境中水下航行器的随机响应特性具有重要意义.以无舵桨的新型水下航行器为研究对象,基于概率守恒原理,从随机积分的全新视角,建立了随机海洋环境中水下航行器的概率密度积分方程.在此基础上,提出了一种基于分块并行计算的直接概率积分法,该方法将水下航行器系统的控制方程与概率密度积分方程解耦,通过分块并行计算,实现了随机波浪激励下新型水下航行器的随机动力响应高效分析.此外,还将提出方法的计算结果与原直接概率积分法及蒙特卡洛模拟方法的计算结果进行了比较,进一步验证了提出方法的精确性和高效性.最终研究结果表明,海浪的有义波高和流动速度是影响水下航行器响应的主要随机因素.海浪有义波高和流动速度的增加会造成水下航行器偏离预定轨迹的概率显著提高.此外,较大的海浪流动速度还会引发随机跳跃现象,从而降低水下航行器的航行安全性.

物流非高斯振动下的产品损伤分析

公路运输过程中的冲击信号造成了物流随机振动的非高斯特性。为研究冲击成分对产品损伤的影响,对8条中型卡车和重型卡车实测道路信号进行了统计分析。将振动信号分为20%的高强度非高斯信号、60%的中等强度高斯信号和20%的低强度高斯信号。使用有限元软件进行时域振动分析,计算各信号段的损伤占比。结果表明:振动过程中,非高斯信号蕴含了高强度的冲击信号,造成了绝大部分的损伤。中型卡车振动数据冲击幅值大、占比少,相对而言,重型卡车冲击幅值低、占比多。中型卡车高5%的冲击信号造成了90%以上的损伤;重型卡车20%的非高斯信号中除10%的冲击成分外还包含10%的较高幅值振动,其20%的非高斯信号造成的损伤约为80%或更高。在整个运输振动过程中,含量较少的冲击信号主导了损伤的累积。

基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构不确定模型更新

由于螺栓结构中存在复杂的微观特征,数值模型中无法避免的会引入不确定性。针对螺栓设计中参数不确定性量化问题,一种基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构随机模型更新方法被提出。首先考虑高阶剩余模态的影响,推导了适用于螺栓组合结构弹性交界面的高精度模态综合法;之后,在贝叶斯推理框架下,通过组合结构的自振频率和振型的概率分布,建立螺栓连接参数的后验概率密度函数,并借助DRAM(delayed rejection adaptive metropolis)抽样方法量化参数的不确定性。数值算例表明,针对各子结构之间自振频率差别较大的结构,与模态综合法相比,本研究方法在较少子结构模态参与的情形下,也可以保证良好的模型更新结果。