高速列车对综合交通枢纽中地下车站结构振动的影响

以济南遥墙综合交通枢纽为工程案例,依托CRTSⅢ型板式无砟轨道建立车辆-轨道-车站结构振动耦合模型,利用时频域分析方法,分析了不同列车通过速度下轨道与车站结构间振动传递特征、不同减振垫层刚度下车站结构顶板振动响应特征和减振效果。结果表明:列车通过速度80 km/h时,钢轨、轨道板、车站结构侧壁、车站结构顶板振动加速度绝对值依次减小,车站结构顶板振动加速度级峰值出现在100 Hz;车站结构侧壁和顶板的分频最大振级、最大Z振级均随列车通过速度增加而增大,并且最大Z振级的增幅大于分频最大振级;不同列车通过速度下车站结构侧壁的分频最大振级和最大Z振级均大于顶板;降低减振垫层刚度可有效减小车站结构顶板最大Z振级;列车以不同速度通过各股道时可通过采用不同减振垫层刚度的轨道结构达到同等减振效果。

基于圆锥微凸体的结合面法向刚度改进模型

为了使结合面接触特性模型更具准确性,将粗糙接触表面微凸体等效为圆锥形微凸体,运用改进的W-M函数模拟粗糙表面三维形貌,修正了微凸体接触半径,且考虑域扩展因子对截面积分布函数的影响,建立了结合面法向接触刚度模型,并对模型进行仿真,分析了结合面形貌参数对法向接触刚度的影响。最后,将模型与真实试验数据以及以往模型做对比,证明了所建模型运用于实际结合面法向刚度数值计算的精确性,进一步证实了所建模型的可行性。所建模型有助于对结合面接触刚度进行更精确的预测,并为相关机械结构改进提供了依据。

考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性研究

针对目前双渐开线齿轮(DIG)研究过程中齿廓磨损对双渐开线齿轮动态特性的影响问题,对考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性进行了研究。首先,进行了双渐开线齿轮接触线长度与齿面载荷计算,考虑相对滑移距离,建立了等效接触模型;然后,进行了双渐开线齿轮齿面累积磨损量、齿轮齿面累积磨损深度的计算,建立了双渐开线齿轮啮合刚度计算模型,进行了磨损故障的双渐开线齿轮刚度的计算;最后,以一对双渐开线齿轮为研究对象,采用集中质量法建立了6自由度动力学模型,研究了齿面磨损对双渐开线齿轮动力学特性的影响。研究结果表明:在运行1×104次载荷循环后,混合弹流润滑状态下,双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮(CIG)在节线附近齿根位置的最大累计磨损量差值为0.00207μm,且双渐开线齿轮节线靠近齿顶位置的磨损小于普通渐开线齿轮的磨损;双渐开线齿轮系统在磨损后振动加速度幅值小于普通渐开线斜齿轮的幅值。通过对不同磨损情况下的时域响应进行研究,发现磨损导致双渐开线齿轮传动系统的振动幅值增大。

考虑域扩展因子的结合面接触刚度分形模型及数值仿真

为了从分形的角度更加准确地研究结合面的接触刚度,基于M-B分形模型和赫兹理论,引入域扩展因子来表征分形维数,分别建立结合面法向和切向接触刚度分形模型。该模型综合考虑了载荷、分形维数以及材料参数等因素的影响。同时,通过数值仿真得到结合面接触刚度与各参数的变化趋势,结合面法向接触刚度与法向载荷的变化趋势相同,与分形特征和长度尺度系数相反,但与分形维数的变化趋势比较复杂,不再具有单调性;结合面切向接触刚度与上述参数引起的变化趋势与法向接触刚度的变化趋势相似。

端承桩‑土动力相互作用的频域子结构分析方法

对动力荷载作用下桩‑土相互作用问题,将桩和结构等效为一维杆、土体假定为黏弹性介质,提出了一种桩‑土动力相互作用的频域子结构分析方法。首先,基于连续介质力学方法,通过引入势函数对土体振动方程进行解耦,根据边界条件推导桩周土体位移和应力的表达式,并结合桩‑土耦合连续性条件推导出均质土体中水平抗力表达式。之后,基于有限元方法将桩和结构采用梁单元离散,进一步通过有限元离散得到土体水平抗力与桩位移之间的动力刚度矩阵,并将其与桩和结构的动力刚度矩阵耦合形成耦合有限元方程,从而建立了结构‑桩‑土体系动力响应的频域子结构模型。最后,通过Abaqus软件中的三维有限元模型对该方法进行了验证;利用提出的模型分析了土体动力刚度、土体阻尼和土体模型等对结构动力响应的影响,并分析了地震动一致和非一致激励对结构地震响应的影响。

SV波任意角度入射下地铁车站结构地震响应分析

地震波入射角度对地铁车站结构地震响应的影响问题已受到学者的关注和重视。SV波斜入射时存在临界角情况,超过临界角时,场地水平向运动与竖向运动的相位差会发生改变,同时在超临界角入射下场地具有较大的竖向地震作用;然而SV波超临界角入射下的这些特征对地铁车站地震响应的影响规律还未见公开报道。通过ABAQUS有限元软件,首先验证了基于频域刚度矩阵的地震动输入计算方法求解地下隧道对任意角度SV波散射问题的计算精度,然后研究了SV波0°~80°范围内入射时II类、III类、IV类场地条件下两层三跨地铁车站结构的地震响应。研究表明:在较硬的场地中,SV波超临界角入射下场地同时具有较大的水平向和竖向地震作用,这将显著增大车站中柱的轴力幅值,与垂直入射情况相比,轴力幅值最高被增大至3.28倍,同时,SV波临界角附近入射时,轴力分布显著区别于其他情况;车站中柱的弯矩与剪力最大值均出现在地震波垂直入射时,且总体上,弯矩、剪力幅值随着SV波入射角度的增大而减小;车站与周围地基的动力相互作用,对车站结构所受到的水平地震作用具有一定的增大效应,场地越软,增大效应越显著。建议将SV波垂直入射和临界角附近入射2种工况均作为地铁车站结构抗震设计的不利工况。

双尺度分级结构时域动刚度问题的并行拓扑优化

提出双尺度分级结构时域动刚度问题的并行拓扑优化方法,实现结构宏观拓扑构型和材料微观分布协同优化。利用三场密度方法实施宏观与微观结构的设计,基于能量的均匀化方法(energy-based homogenization method, EBHM)在微观结构上计算等效的宏观力学特性。针对比例阻尼系统,将HHT-α方法作为时间积分算法,求解多尺度结构的动力学有限元模型。融合先离散-后微分方法与伴随方法,在时间与空间离散的拓扑优化模型上实施敏度分析,避免了将时间作为连续变量而导致的灵敏度计算的一致性误差问题。以多尺度结构的动柔度最小化为目标,宏观与微观结构体积为约束,分别求解了正弦半波和余弦半波冲击载荷作用下多尺度结构的并行拓扑优化问题。最后,通过2种典型算例的数值结果验证了所提算法的有效性。

轴向力下圆锥结合面切向刚度分形模型分析

圆锥连接广泛应用于旋转类机械装备,其结合面切向刚度的强弱影响着工况下旋转类设备的回转精度,因此研究圆锥结合面切向接触刚度对提高零件的加工精度有重要的意义。分析其结合面分形维数、特征尺度等参数对切向刚度的影响规律,以表征实际工况的圆锥结合面接触刚度为目的,在构造的圆锥结合面分形模型接触系数的基础上,考虑粗糙面微凸体相互作用的影响,构建了引入域扩展因子的圆锥结合面切向刚度分形模型。以高速主轴-刀柄圆锥连接为应用案例,验证了模型的准确性,并分析了轴向力持续作用下的各相关参数对切向刚度的影响规律。研究结果表明:圆锥结合面分形维数、材料特性系数与切向刚度存在非线性增长关系,且轴向力越大时,这种非线性增长现象愈加明显;在轴向力一定时,随着圆锥结合面的特征尺度参数、切向载荷与法向载荷比值的增加,切向刚度呈减少趋势。

基于变论域模糊控制的时变结构震动控制方法研究

针对传统工程震动控制领域控制对象均为确定结构,未考虑实际结构在地震的过程中及地震前可能会发生的刚度退化、质量降低问题,该文章以时变三层框架结构作为被控对象,在传统模糊控制算法的基础上引入变论域法,建立了基于变论域模糊控制的时变结构震动控制方法。通过在传统主模糊控制器增设伸缩因子模糊控制器,将被控对象的误差及误差变化率作为输入,伸缩因子作为输出,根据被控对象的误差及误差变化率自适应调整主模糊控制器的模糊论域。SIMULINK软件仿真结果表明,所提出的控制方法能实现模糊控制论域自适应调整,针对时变结构位移、速度、加速度的控制效果均优于传统模糊控制和ON-OFF控制算法,具有一定工程应用前景。

固定接触界面法向静弹性刚度

基于Hertz接触理论推导了两个微凸体之间互相作用的法向接触静弹性刚度。根据修正后的一个微接触点的平截面积尺寸分布,给出了界面的总法向接触静弹性条件刚度、总条件载荷的解析解。将法向静弹性刚度的解析解嵌入到有限元软件中,获得整机的理论模态。通过实验对解析解进行了定量验证。以机床结合部为研究对象,在理论振型与实验振型一致的条件下,模型的相对误差在-17.8%~17.3%之间。

含裂纹故障的齿轮系统动力学特性研究及其故障特征分析

考虑齿轮的时变啮合刚度、传动误差和轴承支撑刚度的影响,建立含齿根裂纹故障的齿轮系统多自由度力学模型,基于动力学方法对其故障机理进行研究。通过材料力学的方法计算齿轮在正常和含裂纹两种情况下的啮合刚度,对比两种刚度曲线的变化趋势,便于进行精确的动力学特性分析;对建立的模型求解系统的动态响应,结果表明当齿根存在裂纹时,其时域波形中会出现周期性的冲击现象,频谱中在啮合频率的基频及其倍频等地方形成一系列等间隔的边频谱线,其间隔大小等于故障齿轮的转频;这些边频成分幅值较低,能量分散且分布不均匀,在不同频带的幅值大小存在差异。针对上述特点,通过正交小波包方法对信号的频带进行分解,应用倒频谱分析各子频带信号的边频成分;结果表明,该方法能够有效的提高信号的信噪比,有助于识别和提取信号中由裂纹故障引起的边频成分。

非对称渐开线圆柱齿轮建模与扭转振动仿真

为研究非对称渐开线圆柱齿轮的动力学特性,在对传统的非对称齿轮扭转振动模型进行动力学等价变换的基础上,建立了基于虚拟样机技术的非对称齿轮动力学模型.利用该模型,综合考虑齿轮啮合过程中时变啮合刚度和啮合阻尼的影响,进行对称及非对称齿轮振动特性的时域和频域分析,并与数值仿真和实验研究的结果进行比较.结果表明:该模型仿真与数值仿真和实验研究的结果相吻合.

饱和土中端承桩纵向振动特性研究

基于饱和多孔介质理论研究了三维轴对称条件下端承桩在饱和土中的纵向耦合振动,首先通过引入势函数对Biot动力固结方程解耦,采用算子分解方法及分离变量法求得饱和土层振动解,进而利用桩土完全耦合条件得到桩土系统定解,然后对桩顶的频率和时域响应进行参数研究,结果表明,桩的长径比和桩土模量比对桩顶动力响应有较大影响,而渗透力对其影响较小,最后将幅频及时域反射波理论拟合结果与桩基实测结果加以对比,结果表明理论曲线与实测曲线规律一致。

强空间影响的结构抗震分析

为了正确计算空间影响较强的结构物的地震作用 ,本文建立了考虑有剪切变形影响及两端带刚性域的单根空间杆件的刚度阵和质量阵计算公式 ,精确地反映了空间结构物的刚度和质量分布情况 ,为正确地计算结构物的周期和进行抗震分析 ,提供了可靠的依据 .算例表明 ,第一自振频率的计算值与其实测值相吻合 。

超长沉管隧道纵向地震响应频域分析方法

中国目前还没有专门的沉管隧道抗震规范,且以往的地震响应分析方法考虑的因素不够全面,比如通常忽略隧道惯性的影响、不能考虑复杂地基条件、不能考虑沉管底部非一致地震激励以及不能考虑土体动刚度系数和阻尼系数的外部激励频率相关性等。基于此考虑,在借鉴日本水下隧道抗震设计规范所推荐方法(响应位移法)的基础上,利用Winkler地基梁理论和快速Fourier变换技术,建立了动力Winkler地基梁频域分析方法。最后,分别采用响应位移法和本文所提之分析方法对港珠澳大桥海底沉管隧道工程进行了纵向地震响应计算,对两种计算方法作了讨论和评价,并提出了一些对港珠澳沉管隧道工程抗震设计具有参考价值的结论和建议。

SV波斜入射时双线并行地铁隧道横截面地震响应分析

SV波以大角度斜入射时,场地伴随更大的竖向地震作用,这很可能使得地铁隧道地震响应特点异于小角度斜入射情况。基于粘弹性人工边界理论,采用频域刚度矩阵法计算任意角度斜入射SV波的地震动输入等效节点力,通过ABAQUS有限元软件建立自由场模型,验证了0°、30°、40°和50°斜入射SV波地震动输入的准确性;在此基础上建立任意角度斜入射SV波作用下的地下双线并行圆形地铁隧道地震响应分析数值模型,从场地类别、隧道埋深和双隧道间距等方面分析SV波入射角度对隧道结构横断面地震响应的影响。研究表明:入射角度0°及略大于SV波临界角的入射角度是浅埋圆形地铁隧道结构抗震的最不利角度,尤其对于II类场地,若仅在临界角以内研究衬砌结构的地震响应,将显著低估衬砌结构的动力响应;此外,隧道埋深对衬砌动弯矩、动轴力峰值具有显著影响,这种影响与场地类别密切相关;II类和III类场地中小隧道间距条件下隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应具有一定的增大效应,而IV类场地中可忽略隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应所产生的影响。

悬索桥超高桥塔的刚度和风致响应

为了探讨悬索桥超高桥塔的刚度和风致响应问题,围绕顺桥向A字形布置混凝土桥塔(不同底部张开量)和顺桥向独柱形布置混凝土桥塔(不同塔柱截面)展开研究。利用有限元分析软件建立了2种类型桥塔的裸塔自立状态有限元模型,计算对比了桥塔刚度以及静风响应,同时采用时域分析方法计算桥塔的抖振响应,对比分析了在桥塔横向构造形式一定的前提下,不同类型方案对超高桥塔刚度和风致响应的影响。分析结果表明,顺桥向A字形桥塔的整体刚度较独柱形桥塔大;在顺桥向静风作用下,独柱形桥塔塔顶位移比A字形桥塔大得多;在顺桥向脉动风作用下,独柱形桥塔塔顶抖振位移响应的脉动程度远大于A字形桥塔。

动力总成液压悬置系统固有属性的拉普拉斯域分析方法

针对液压悬置随激振频率呈非线性变化的动刚度特性,采用了一种拉普拉斯域分析方法计算动力总成液压悬置系统的固有属性。首先,建立液压悬置的集中参数线性流体模型,分析悬置在低频段和高频段的稳态动刚度特性,而得到悬置的宽频动刚度表达式。接着建立悬置系统在曲轴坐标系下的振动模型,在拉普拉斯域内直接应用液压悬置的动刚度表达式推导系统固有属性的分析方法。最后采用这一新方法计算了某液压悬置系统的固有属性。结果显示,液压悬置系统具有复特征值和复模态向量。复特征值同时包含系统的固有频率和阻尼比信息;根据阻尼比、复模态向量的幅值等信息可对模态类型作出判断;结合复模态向量的相位信息可确定模态的具体形状。

多层地基条带基础动力刚度矩阵的精细积分算法

提出应用精细积分算法计算多层地基的动力刚度问题.精细积分是计算层状介质中波传播的高效而精确的数值方法.利用傅里叶积分变换将层状地基的波动方程转换为频率-波数域内的两点边值问题的常微分方程组,运用精细积分方法求解格林函数,最后再将得到的频率-波数域内地基表面的动力刚度矩阵转换到频率-空间域内,进而得到刚性条带基础频率域的动力柔度或刚度矩阵.所建议的精细积分算法,可以避免一般传递矩阵计算中的指数溢出问题,对各种情况有广泛的适应性,计算稳定,在高频段可以保障收敛性,并能达到较高的计算精度.

汽车碰撞波形梁半刚性护栏的简化计算

应用Newmark β法,对汽车碰撞半刚性护栏进行简化计算,解决碰撞过程中的非线性问题.分别对不考虑汽车转动和考虑汽车转动建立了简化模型,对汽车碰撞护栏进行时程分析.通过与LS-DYNA有限元模拟结果对比表明,考虑汽车转动的简化计算方法能较准确地对碰撞过程进行时程分析,帮助护栏设计人员更清楚了解碰撞过程和碰撞作用机理,有利于护栏的优化设计.