建立弹簧-质量-阻尼系统数学模型的数轴法

提出一种建立弹簧―质量―阻尼系统其数学模型的简单方法——数轴建模法,即建立与系统平行方向的数轴,把弹簧或阻尼器的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置,然后按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力或阻尼力的大小和方向,进而求得系统的微分方程。分别以单自由度系统、两自由度振动系统及多自由度系统为例,阐述了数轴法在建立机械振动系统的数学模型中的应用。结果表明此方法在列写弹簧―质量―阻尼系统的运动微分方程时非常有效。

含间隙机构无质量杆-弹簧阻尼组合模型的近似解法

提出了一种新的无质量杆 -弹簧阻尼组合 (MLSD)模型非线性动力学运动微分方程的近似解法。它通过求解无间隙机构来得到相应的含间隙机构的动力响应 ,无须求解系统的非线性微分方程组 ,使解决问题的难度大为降低 。

一种新的高阶弹簧-阻尼-质量边界——无限域圆柱对称波动问题

提出一种描述力-位移时间卷积关系的高阶弹簧-阻尼-质量模型,并将其作为人工边界条件直接应用于弹性动力学无限域圆柱对称运动问题的时域数值求解.该人工边界条件不存在旁轴近似、多次透射等位移型外推人工边界条件普遍存在的高、低频失稳问题;与黏性、黏弹性边界等应力型人工边界条件相比,它具有高阶精度,且是严格高、低频双渐近的,也可以退化到黏性、黏弹性边界;该边界可以像黏性、黏弹性边界一样利用商用有限元软件中内置的并联弹簧-阻尼器、质量单元和时间积分求解器在商用软件中方便地实现,便于研究人员和工程师应用.分析的几个简单数值算例也验证了该边界条件的上述优点.

带橡胶阻尼块压气机整流器振动特性分析

橡胶的动态特性及频率与应变相关。为了研究航空发动机带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性,使用有限元仿真和试验相结合的方法,建立了适用于此结构的动态模型,分别使用硅橡胶N50、硅橡胶N60、天然橡胶N60和丁晴橡胶N60这4种橡胶阻尼块对该结构进行了试验和仿真。对4种橡胶进行准静态拉伸试验,使用Neo-Hookean超弹性模型进行拟合得出CNH1与最大应变εm的3次多项式,带入ANSYS进行橡胶柱压缩仿真从而验证模型的可靠性;对橡胶进行动刚度试验,得出橡胶动态模量随频率的增大而逐渐递增;建立非线性弹簧-分数导数模型,带入ANSYS进行迭代计算,并进行扫频试验,对得出的不同橡胶阻尼块下叶片的第1阶共振频率的仿真结果和试验结果进行对比可知,模型的计算误差均小于5%。综合分析表明:非线性弹簧-分数导数模型能够准确地描述带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性。

竖向行人-结构相互作用中的行人MD及SMD模型参数识别

大跨轻柔结构易出现行人荷载下的振动舒适度问题,行人与结构的相互作用是准确预测人致结构振动的关键难题之一。通过一低频人行桥的小组行人试验,研究了两种竖向人-结相互作用模型的参数及其适用性问题。首先由试验获得空桥和有行人时的系统频响函数。随后,将行人的质量-阻尼器(Mass-Damper,MD)模型和本文建议的弹簧-质量-阻尼器(Spring-Mass-Damper,SMD)模型,分别与结构耦合并推导耦合系统的频响函数理论表达式,再拟合实测值识别MD和SMD模型的参数。结果表明:试验条件下行人对结构质量贡献约为体重的40%,阻尼贡献为1400kg/s。行人SMD模型的自振频率约为1.9Hz,阻尼比约30%。行人SMD模型参数尚无其他文献报道,与不同姿态静止人体的SMD参数的对比说明了结果的合理性。最后,利用数值模拟解释了MD模型的局限性,建议采用SMD模型模拟竖向行人-结构相互作用。

基于MSD模型的人-桥耦合效应量化分析及简化计算方法

基于行人质量-弹簧-阻尼模型建立了人-桥耦合系统运动方程,并采用复模态分析法获取了系统动力特性。在此基础上,量化分析了频率比、质量比和行人间距对桥梁动力特性的影响规律,提出了考虑人-桥耦合效应的简化计算方法。研究表明:对于大跨度人行桥,行人运动会导致结构实际振动频率和阻尼比的改变,其改变程度和规律受质量比、频率比和行人间距以及结构振型影响,如忽略人-桥耦合效应会高估结构响应。通过修正桥梁动力特性并将行人视为步行力施加到人行桥上,计算出的结构响应与考虑人-桥耦合效应的结构响应基本一致,但计算量大幅降低,表明该方法具有较高的精度,可用于快速预估人致振动响应。

行人SMD模型参数对人群-结构耦合动力特性的影响

分析行人单自由度弹簧-质量-阻尼器系统中模型参数的随机特性,建立步行人群-结构耦合自由振动方程,采用复模态法求解得到结构的固有频率和阻尼比。研究行人频率、阻尼比和弹性质量对结构基频和阻尼比变化率的影响;应用Monte-Carlo仿真,得到不同频率结构在不同的人群与结构质量比下的基频和阻尼比的95%及5%分位点。分析表明,当空载结构与行人的频率比约为1.1时,结构基频和阻尼比的变化率最大;空载结构基频离行人频率范围较近时,质量比增大会使结构基频和阻尼比的随机散布增大。

竖向人-结构相互作用体系理论模型研究

随着大跨度和柔性建筑结构的广泛应用,考虑到高密度人群对于结构稳定性及安全性的影响,人-结构相互作用体系的研究显得尤为重要。将串联和并联的两自由度人体模型分别作用于单自由度结构模型,得到三自由度人-结构相互作用体系模型。考虑人体的高阻尼特性,分析人-结构体系的受迫振动运动方程,通过加速度响应函数分析得到体系的共振频率。将模型结果与现有文献报道的试验数据进行对比,结果表明,通过单纯形法对人体参数进行针对性优化后,提出的串联三自由度理论模型可以较为准确地模拟试验结果。

时间卷积的局部高阶弹簧-阻尼-质量模型

土-结相互作用的时域有限元分析中,力和位移时间卷积关系的局部化处理是建立精确无限域模拟方法的关键。应用物理模型化方法局部化时间卷积,提出一种新的高阶弹簧-阻尼-质量模型,推导了模型的时域、频域方程和相应的标准方程,建立了两类方程参数的转换关系。基于线性系统稳定性理论提出模型系统运动稳定的充分必要条件,并基于罚函数法和遗传-单纯形法建立了考虑模型稳定性的参数识别方法。基于该文参数识别方法的高阶弹簧-阻尼-质量模型系统、简洁,能够在动力有限元程序或商用软件中简单、容易的实现,形成动力稳定的土-结相互作用系统,可以采用显式时间积分求解。弹性地基表面半无限杆问题的分析以及与几种现有方法的比较研究表明该文模型及参数识别方法的有效性。

汽轮发电机组简单轴系模型扭转刚度的简易计算

研究汽轮发电机组扭振问题及次同步谐振/振荡时需使用“简单多质量块-弹簧”模型,其中扭转刚度的准确性十分重要。在已知转动惯量、固有模态频率的前提下,提出一种扭转刚度的简易计算方法,该方法根据已有资料给出扭振振型矩阵的估计值,利用模态向量的正交性求解模态扭转刚度矩阵估计值,反算出扭转刚度;考虑计算结果可能存在偏差,再采用牛顿-拉夫逊方法进行修正。给出沙角C厂1号机组的算例,解决了该机组因为缺失扭转刚度数据导致扭振问题不能详细分析、扭振保护设备不能投运的问题。所提方法计算量小、易于实现,也可以用于扭振保护在实测模态频率之后对轴系模型参数的修正。

基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究

针对钢-混组合梁桥的行车振动问题,设计了一种碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass dampers, PTMD)装置,进行了基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究和数值分析研究。设计并制作了钢-混组合梁试验模型和PTMD装置,研究了PTMD装置的减振效果并进行PTMD装置的参数讨论。结果表明,该PTMD装置对钢-混组合梁的振动有明显的抑制效果,在振动响应较大时能够取得更好的减振效果,其最佳质量比为2%,最佳碰撞间隙为4 mm,在试验梁上同时安装3个PTMD更为合理。以某高速公路线路上的双主梁钢-混组合梁桥为研究背景,建立了车-桥-PTMD耦合系统模型,计算并对比双主梁钢-混组合梁桥在移动车辆荷载作用下无减振装置和应用PTMD装置下的动力响应,验证了PTMD装置在实际应用中的减振效果。

压电致动器的力学输出计算

针对单层压电致动器在电压激励下力学输出计算比较困难的现实问题,该文提出将压电致动器与质量-弹簧-阻尼系统有机结合,将压电片在电压激励下的形变转化为质量-弹簧-阻尼系统的位移,然后根据系统的微分方程,利用拉普拉斯变换和反变换,分别求出在正弦交流电和直流阶跃激励下的压电致动片的力学输出计算公式。最后分别用压电陶瓷致动片和PVDF致动片进行了验证,与已有的方法计算结果进行了比较,实验结果高度一致,说明该方法具有可行性、易行性与实用性。

调谐质量阻尼器对冲刷效应下风力机减振控制研究

冲刷效应易引发海上风力机结构过度振动,本文通过调谐质量阻尼器(TMD)系统对冲刷后的近海单桩式风力机结构减振控制问题开展研究。基于10MW风力机三维壳单元有限元模型,并结合开源软件FAST气动力模块和AQWA进行联合仿真。结果表明:冲刷效应将导致风力机塔架和桩基结构振动加剧,而安装TMD后对冲刷效应下的塔架减振控制效果更加明显,可有效削弱冲刷对风力机的负面影响;较之冲刷方向位移,TMD对侧向位移控制效果更为突出;风力机受冲刷后或装有TMD系统均会改变塔架前后向应变能极值位置,且TMD可减小冲刷后风力机塔架轴向和周向应变能均值,但应变能集中分布区域面积有所增加。

桩基础上结构TMD控制的振动台模型试验研究

完成了土 桩 结构 TMD相互作用体系的振动台模型试验 .首次通过振动台模型试验研究了土 桩 结构相互作用对TMD振动控制的影响 .试验结果表明 :当TMD装置的自振频率和相互作用体系频率一致时 ,TMD控制效率最佳 ,但此时其控制效率仍远不及刚性基础上TMD控制效率高 ,表明土 结构相互作用效应使TMD装置的减振效率大大降低 ,在一些情况下TMD装置甚至对结构起到负面作用 .

关于超长沉管隧道地震反应分析中瑞利阻尼矩阵的讨论

以港珠澳超长沉管隧道为例,采用质量-弹簧模型,通过时域数值计算,分析了在不同Rayleigh阻尼矩阵下沉管隧道在不同地震输入荷载下地震反应的特点与区别,并同地震动响应的"真实解"进行了比较,讨论了考虑地震输入荷载影响时Rayleigh阻尼系数的选择方式,提出在形成Rayleigh阻尼矩阵时,可取模型的第1阶振型与输人荷载的反应谱卓越频率来确定Rayleigh阻尼的比例系数。

基于证据理论的虚拟力机器人网络控制

将网络与机器人相连,延伸网络的应用领域,可以实现价格低廉的远程监视与操作,而远程控制成功实现的关键在于信息的正确获得。利用Dempster-Shafer对六个超声波传感器所获取的距离信息进行融合,而后连同速度信息提供给弹簧-阻尼器系统以构建虚拟力;力的信息通过编程映射到游戏杆上,变成操纵方向的约束力。通过采用微软公司的带有力反馈的操纵杆作为力觉提示装置控制移动机器人在结构化环境下顺利运行,验证了虚拟力信息获取方法的有效性。

相对阶数为2的机械非线性采样数据模型

针对相对阶数为2的非线性多变量质量-弹簧-阻尼机械振动系统,导出了近似的采样模型和离散性质.采用比Euler模型更复杂的离散采样方式,分析了该近似采样模型的局部截断误差和全局截断误差.特别地,通过研究导出近似离散时间控制模型的采样零动态,给出了相应的渐近特性,还分析设计了离散采样控制器.将线性质量-弹簧-阻尼机械模型情形推广到了非线性系统,在非线性系统辨识方面有应用价值.

基于机械振动理论的垂直侵彻弹靶作用模型

为了给侵彻引信抗高过载优化设计提供准确的力学输入,将机械振动理论引入侵彻过程建模领域,提出了一种侵彻战斗部刚体运动与一阶轴向振动相结合的垂直侵彻弹靶作用模型。在垂直侵彻过程受力分析的基础上,基于牛顿第二定律建立了战斗部刚体运动模型,基于单自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了战斗部一阶轴向振动模型,并采用数值积分的方法获得了垂直侵彻过程中各物理量的变化规律。和火炮试验实测加速度信号的对比分析结果表明:考虑战斗部一阶轴向振动后的垂直侵彻弹靶作用模型能更准确地描述侵彻过程,能更有效地指导侵彻引信的抗高过载优化设计。

应用于冷气微推力器的压电晶片驱动稳定性分析

针对多自由度压电晶片驱动机构,建立了多自由度质量—弹簧—阻尼等效模型。通过对压电晶片驱动机构模型中等效刚度和阻尼系数变参数研究系统在不同情况下的阶跃响应及系统稳定性。通过进一步的数值仿真,确定压电晶片驱动机构虽然不可控,但仍然是镇定系统,验证了微推力器中首次应用压电晶片驱动机构的合理性,该系统的阶跃响应快且稳定在3.34×10-6m。

压电悬臂梁负载阻抗匹配分析及其在隔膜泵驱动中的应用

利用悬臂梁结构的不同位置作为对外激励源时,为了使负载获得更多的能量,使悬臂梁的能量输出达到最优,同时隔膜泵的流量输出达到最大,实现隔膜刚度最佳匹配的目的,提出了一种压电驱动悬臂梁结构的负载阻抗匹配概念,研究了隔膜泵的性能与悬臂梁结构对外输出刚度之间的关系。首先,选取悬臂梁结构的根部、中部和端部3个特征位置,利用有限元仿真软件,对悬臂梁-弹簧-质量块模型的能量输出进行了阻抗匹配分析;其次,选取隔膜容积泵作为驱动负载,根据其结构及工作原理,建立了压电悬臂梁驱动隔膜容积泵的简化动力学模型,分析了隔膜泵的性能与悬臂梁驱动结构参数之间的关系;最后,搭建了压电悬臂梁驱动隔膜泵的刚度匹配实验平台,对不同圆盘直径下,悬臂梁不同特征位置处的隔膜泵输出流量进行了测试。研究结果表明:在悬臂梁根部、中部以及端部位置处,隔膜泵输出流量最大时的活塞圆盘直径分别为20 mm、18 mm以及16 mm,随着悬臂梁不同位置对外输出刚度的减小,隔膜匹配的最佳刚度应随之减小;若悬臂梁结构与负载参数一定时,对应的最佳负载匹配刚度逐渐增大。