谐波叠加法在道路谱重构中的改进与应用研究

三维路面的数值模拟是车辆虚拟道路试验中的重要研究课题,而道路谱的重构与分析是其中的核心内容。谐波叠加法作为常用的道路谱重构方法,具有良好的适用性及精度。但在解决非规则分布的复杂道路问题时存在着重构精度不足以及计算效率不够等问题。为此,在原有的谐波叠加法基础上,提出基于改进谐波叠加法的道路谱重构方法。通过三次样条插值技术对谐波叠加法进行改进,以正定平方分解(Cholesky)次数来减少计算内存,从而提高道路谱重构精度。研究发现,相较于传统的谐波叠加重构方法,基于改进谐波叠加法的道路谱重构算法运行模拟时间大大减少,但是精度明显提升。与直接测量法、载荷谱迭代法、谐波叠加法以及滤波白噪声法等相比,基于改进谐波叠加法的道路谱重构精度在90%以上,具有显著优势。基于改进谐波叠加法的道路谱重构模拟仿真,重构的路面功率谱与标准路面谱能很好地契合,得到更加满意的仿真效果,在车辆虚拟道路试验中具有一定的实践应用价值。

简谐波叠加法模拟风谱

目的模拟脉动风荷载,在时域内实现数值模拟建筑结构的内力分析和变形计算.方法采用Daven port风速谱并根据Shinozuka理论,应用简谐波叠加法分别模拟了脉动风速、脉动风压和脉动风荷载时程曲线.结果求出了该风谱的功率谱密度和相关函数,并分析了某12层框架结构的顶层位移和加速度反应.证明此方法高速有效,且符合工程精度的要求.结论理论值和实测值的比较结果表明简谐波叠加法是一种正确有效的风荷载分析方法,能够反映结构的基本动力特性,对高层建筑的风振控制有一定的应用价值.

基于插值技术谐波叠加法的风速场模拟

风荷载的数值模拟在结构设计中起着非常重要的作用。在土木工程脉动风速时程的各种数值模拟方法中,谐波叠加法最为常用。而且,通过引入FFT和不同插值技术可以在不显著地影响模拟精度的情况下,大大地缩短模拟计算所花费的时间。基于两次多项式、三次多项式、以及两种不同边界条件三次样条函数插值技术的谐波叠加法来模拟一幢100 m高高层建筑上10个点的脉动风速时程,通过均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和相对误差系数(Error factor,Ef)两项指标来评价不同插值技术与传统谐波叠加法(未引入插值技术)相比较的插值模拟计算精度,并且记录各自所耗费的时间,综合比较模拟效率和精度以找出最为适合的一种插值技术。结果表明:基于第一种边界条件三次样条函数插值技术的谐波叠加法为最佳的模拟方法。

基于径向基神经网络的谐波叠加法

风荷载的数值模拟在结构设计中起着非常重要的作用。在土木工程脉动风速时程的各种数值模拟方法中,谐波叠加法最为常用。而且,通过引入FFT和不同插值技术可以在不显著地影响模拟精度的情况下,大大地缩短模拟计算所花费的时间。提出使用径向基神经网络(RBF neural network)插值技术来改进传统的谐波叠加法。使用基于径向基神经网络和传统的谐波叠加法(未引入插值技术)来模拟一幢100 m高的高层建筑上10个点的脉动风速时程,通过均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和相对误差系数(Error factor,E_f)两项指标来评价改进的与传统的谐波叠加法相比较的模拟计算精度,并且记录各自所耗费的时间。结果表明:基于径向基神经网络谐波叠加法的精度令人相当满意,模拟计算效率大大提高。

用谐波叠加法重构随机道路不平顺高程的时域模型

道路时域建模对道路车辆振动时程分析、车辆台架试验、路面损伤以及车路耦合动力学研究均具有重要意义。谐波迭加法是一种既简单直观而又具有严密数学基础的构造道路时域模型的方法。本文基于随机道路的统计量描述 ,再现了随机道路针对路面车辆的单点激励和单轮辙激励的时间历程样本 ,完善了所生成样本的标定方法。对双轮辙激励 ,采用空间相关的两随机过程模拟 ,将两过程用虚拟的线性系统联接 ,建立其符合道路相干函数的传递关系 ,最终得到道路车辆的双轮辙多点时空相关性激励模型。该模拟方法的数学理论正确 ,适用于任意指定谱特征的随机道路模拟 ,对其他类似随机过程的模拟也具普通适用性。

基于谐波叠加法的路面不平度重构

对GB/T 7031-2005中提出的路面功率谱密度表达式及等分方法,应用谐波叠加法对路面不平度随机序列进行仿真,使用AR模型谱估计法验证仿真结果。结果表明通过谐波叠加法能很好地拟合路面不平度,且AR模型谱估计具有拟合结果平滑且精度高的特点。

基于谐波叠加法车辆参数对车辆随机荷载模拟的影响分析

由于路面不平度的随机激励,导致车辆作用在路面上的附加动荷载是一个零均值、各态历经的平稳随机过程,因此利用谐波叠加法模拟1/4车辆模型的车辆随机动荷载,加上车辆自重荷载得到车辆随机荷载。分别详细分析了在3种车速和3种路面等级下,车辆模型的四个车辆参数(轮胎刚度系数k1、悬挂系刚度系数k2、轮胎阻尼系数c1和悬挂系的阻尼系数c2)对于车辆随机荷载影响。计算结果表明:车辆随机荷载曲线是一条围绕着车辆自重荷载上下振动的随机曲线;随着路面等级的降低,车辆随机荷载的振幅明显地增加;随着车辆参数的增加,车辆随机荷载的标准差呈现线性增加,其中c1对于标准差的影响程度要明显大于k1、k2和c2;随着车速的增加和路面等级的降低,c1对于车辆随机荷载标准差的影响程度增大。

基于谐波叠加法的标准路面谱重构

汽车的关键零部件的疲劳可靠性分析在产品研发过程中有重要价值,而标准路面谱的重构是首要解决的问题。根据在谐波叠加法原理的功率谱密度并利用概率统计理论、中心极限定理,建立了路面谱的数学模型。并依托该数学模型设计并开发了标准路面谱重构程序和软件最后软件重构的时域路面谱位移输入特性能很好的逼近标准路面谱,重构的路面谱满足要求。

基于三次样条插值谐波叠加技术的随机路面重构方法研究

汽车虚拟试验仿真研究的关键点在于:如何在获取准确的试验道路信息的基础上重现三维虚拟路面模型,其中道路谱的重构和分析是建立模型的核心内容。首先,以砂石路面为研究对象,对其进行高程数据采集和预处理,获得路面不平度的频谱分布;其次,在谐波叠加法基础上创新性地引入三次样条插值技术,对中心频率点间的互功率谱密度矩阵采取正定平方(Cholesky)分解,并且采用不同条件下的插值方法获取重构功率谱密度模型;最后,通过对谐波叠加法及3类插值重构谱与原始谱的相关系数r的横向对比发现:第1类边界条件下三次样条插值方法在重构精度与效率方面有着明显的优势。此外,基于该方法的拓展性利用软件MATLAB/GUI建立了试验道路谱数据库以及软化操作平台,为车辆虚拟试验仿真提供了可靠支撑。

基于谐波叠加法的海上风机随机风场模拟研究

推导了模拟脉动风速的谐波叠加法,并结合Kaimal脉动风功率谱,利用MATLAB数学平台编写了具备时空相关性的脉动风速时程模拟程序。针对江苏如东黄海海域某4兆瓦级海上风电机组结构进行实例分析,得到叶片与塔筒结构表面控制点风速时程曲线,并与目标功率谱曲线进行对比。相关结果表明,该程序模拟效果良好,使用简单,可快速解决风荷载输入问题。

路面时域模拟的谐波叠加组分中相位角的相干性研究

基于谐波叠加法所生成的路面不平度特性反演了左右轮路面的自功率谱密度和互功率谱密度函数,并根据左右轮的相干函数推导出了谐波叠加法中左右轮路面不平度特性中对应谐波叠加组分相位角的解析相干关系,由此获得了考虑轮轨相干关系的3维路面不平度仿真模型.基于Matlab的3维路面模拟结果表明,自功率谱密度几乎重合,左右轮的相干函数也吻合较好,这验证了所推导的谐波叠加组分相位角的相干关系在计算仿真中具有较高的可信度,也为3维路面模拟提供了更加可信的仿真模型.

盐渍土环境下考虑耐久性损伤的输电塔风振时程分析

长期服役于盐渍土环境下的输电塔耐久性损伤较为严重,当其材料力学性能退化到一定程度时,在强风作用下,输电塔可能会发生破坏,危害线路的安全运行。基于±800kV天中线特高压直流输电工程直线塔,考虑基础钢筋锈蚀、基础混凝土侵蚀、输电塔杆塔钢材锈蚀以及基础箍筋的约束效应,在ABAQUS有限元软件中建立塔-线-基础耦合模型,研究不同风攻角和材料耐久性损伤对塔身动力响应的影响。结果表明:90°风攻角下塔身顺风向位移最大,为最不利风向基本工况;90°风攻角下输电塔塔顶顺风向位移响应贡献主要以背景分量为主,但共振分量也有一定贡献,主要以输电塔1阶振型频率为主,且随着服役时间的增加,振型频率逐渐降低,相应响应的贡献程度逐渐提高;相同风荷载作用下,随着服役时间的增加,塔身位移逐渐增大,相同服役时间下,随着塔身高度的增加,塔身位移响应峰值增长速度变快,结构振动更加明显,材料耐久性损伤对输电塔的位移响应影响较大。

车辆行驶路面的数字化建模方法研究

为提高车辆虚拟试验结果的准确性,对车辆行驶路面数字化建模方法进行了研究。利用双轨真实路形计对中波和长波起伏路面进行测量,并将测量结果与依据路面外形设计参数建立的波形曲线进行对比,验证了测量方法的准确性和可信性;利用双轨真实路形计分别对渣土路、砂石路两种随机路面进行测量,获取了路面不平度实测数据,并采用基于周期图法改进的Welch算法对实测数据进行了功率谱密度估计,依据相关国家标准GB/T 7031—2005评定了路面等级。采用谐波叠加法建立了三维随机路面模型,通过与实测数据作功率谱密度对比,表明二者具有较好的一致性,验证了三维随机路面模型的可信性。

风荷载的几种模拟方法

风荷载是作用在结构上的重要动力荷载之一,尤其对于高层、高耸及大跨结构来说,设计中必须考虑风荷载的作用。主要介绍了几种人工生成随机序列的风荷载模拟方法:自回归法、谐波叠加法以及逆傅立叶变换法和小波分析。并给出了前两者详细的计算公式,为结构的风荷载动力分析提供借鉴。

大跨度空间网格结构风荷载数值模拟方法

根据谐波叠加法和线性滤波法的基本原理,采用MATLAB语言编写程序分别实现了常规谐波叠加法及其改进的快速傅里叶变换算法和插值算法以及线性滤波法的自回归法对大跨度空间网格结构风速时程的数值模拟,并模拟了2个工程实例的风速时程.结果表明:对于大跨度空间网格结构,不同风速时程模拟方法计算效率从高到低的顺序依次为快速傅里叶变换算法、插值算法、自回归法和常规谐波叠加法,计算精度从高到低的顺序依次为常规谐波叠加法、快速傅里叶变换算法、自回归法和插值算法.综合考虑计算效率和计算精度,快速傅里叶变换算法最适合应用于大跨度空间网格结构的风速模拟.

M.Shinozuka方法在风荷载模拟中的应用

通过分析现有的风荷载数值模拟方法,认为M.Shinozuka方法得到的脉动风荷载样本的统计特征值能较好的符合理论值。系统阐述了这种方法的分析过程,其中涉及到脉动风压规格化功率谱的推导以及脉动风荷载功率谱的计算。采用MATLAB可以方便有效的进行编程,其中的矩阵函数能够容易的实现Cholesky分解以及随机数的求取等。

风荷载模拟方法探讨

通过对近年来风荷载模拟方法的总结,简单论述了其发展历程,并简要介绍了谐波叠加法、线性滤波法以及小波分析在风荷载模拟中的基本原理以及其中存在的一些问题。最后展望了风荷载模拟研究的前景。

基于时域法的输电塔抗风研究

基于脉动风的基本特性和Davenport脉动风速谱,提出在时域内采用按时间抽取的快速傅立叶变换技术改进的谐波叠加法对输电塔随机风场进行仿真,以一大跨越输电塔的随机风场为例获得各点的风速时程样本并进行了谱和相关性校验。结果表明,模拟值与目标值吻合、脉动风空间相关特性显著、计算效率大幅提高,验证了该法的有效性和实用性。

三维虚拟路面的谐波重构

为了解决给车辆动力学仿真及车辆部件疲劳分析时获取载荷谱提供符合实际的路面输入,基于标准路面指数函数的空间频率谱,采用改进的谐波叠加法,在Matlab软件中编制了B级路面的三维空间随机路面,编写了Adams中的路谱文件并与平直路面下车辆的动态性能进行了对比。结果表明,通过改进的谐波叠加法构建的三维虚拟路面其功率谱密度能与标准路面功率谱密度很好的吻合,说明创建的三维路面能很好的模拟实际路面,编制的Adams路面谱也可在车辆动力学仿真中得到很好的应用。因此,文章提供的三维路面重构法可为车辆动力学仿真提供符合实际的路面输入。

基于LQR控制算法的输电塔风振控制研究

采用谐波叠加法,模拟了输电塔塔顶脉动风速时程曲线及风荷载时程。介绍了LQR控制算法的原理,利用MATLAB语言编制了LQR控制算法的程序,并对一输电塔模型结构在风荷载作用下的控制效果进行分析,结果表明,LQR控制方法可以有效地减小输电塔的风振响应,说明LQR控制方法是一种比较理想的减震方法。