基于修正Iwan模型的软黏土动应力–应变关系研究

在循环荷载作用下,饱和软黏土由于孔压上升和结构重塑会发生应变软化;同时会产生累积塑性应变。而且,当存在初始偏应力时,累积塑性应变的发展速率加快,并随着循环次数的增加,滞回圈明显向右滑移。正基于此,本文通过对杭州正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,首先建立考虑不同动应力、初始偏应力下正常固结软黏土的软化指数经验模型;然后将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响;同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的累积塑性应变;最后结合Masing准则对软黏土的动应力–应变关系进行了描述。通过对试验值进行模拟以及与其他模型的对比分析,初步证明了模型的合理性和有效性。

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值,通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合,证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明:建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升,到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性,随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关,对于确定的接触表面,法向力越大,初始切向刚度越大;初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.

基于Iwan模型的螺栓连接结合面非线性等效模型

螺栓连接结构在机械装备中应用广泛,但进行螺栓连接结合面动力学建模时,大量的结合面接触单元会导致计算效率低等问题,因此建立其简化等效模型具有重要意义。针对螺栓连接结合面恢复力及位移的滞回特性,基于修正的离散Iwan模型,对滞回曲线离散化得到Iwan模型参数,在ANSYS中用COMBIN40、COMBIN14、MASS21单元建立其等效模型。验证等效模型在不同载荷下静力滞回特性,滞回曲线面积误差小于10%,相关性误差小于1%;对动态特性进行验证,冲击和简谐激励下的响应和接触模型吻合较好。研究结果表明,所建等效模型单元数量大幅减少,计算效率提高,可以用于复杂装配体的接触简化并计算动态响应。

基于Iwan模型的螺栓非线性接触建模与参数辨识

针对传统螺栓连接模型计算精度不高和螺栓结构动力学模型参数辨识问题,通过引入六参数Iwan模型,研究了螺栓连接力-位移关系方程,绘制Iwan模型非线性力-位移关系曲线。采用万能试验机拉伸实验与振动实验平台激振试验结合,识别构建的模型参数,实现模型构建。实验结果表明,随着螺栓直径的增加,宏观滑移残余刚度会随之增加,模型能量耗散减小。研究结果可为螺栓结构设计分析与计算提供参考。

基于修正Iwan模型的铁路基床动力湿化特性研究

不断增加的列车动荷载与排水不畅是导致重载铁路基床产生不均匀沉降的主要原因之一,正确认识其变形规律对提高重载铁路长期服役性能有至关重要的作用。在包神铁路瓷窑湾站病害段基床部位取土样,基于单线法对土样进行动荷载作用下的湿化试验。试验确定了湿化作用下土体累积塑性应变方程及软化指数关系,同时分析了浸水作用对滞回曲线的影响。基于试验结果,提出土体动力湿化作用下的修正Iwan模型,并通过试验验证了模型在动应力增加情况下有较好的适应性。研究结果有助于预测重载列车动力荷载作用下基床土体变形,并对评价既有线路开行大轴重列车的适应性提供参考。

扭转荷载下螺旋形螺纹连接件的IWAN改进模型

建立了螺旋形螺纹三维有限元模型,通过螺纹表面应力分布等数值计算验证模型方案的有效性,并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明:螺纹结构在加、卸载阶段均经历了黏着、部分滑移和宏观滑移3种状态;在拧紧过程的宏观滑移阶段由于轴向力增大,扭矩呈上升趋势,在拧松过程中由于轴向力减小,扭矩呈下降趋势。在螺纹结构有限元计算结果的基础上,针对扭转载荷作用下带升角的三维螺纹结构,通过增添宏观滑移时的残余刚度和扭矩整体修正量,建立了修正的IWAN模型。计算结果表明:修正的IWAN模型能较准确地重现有限元模拟结果中扭矩与转角的关系,且3个Jenkins单元模型组成的修正IWAN模型即可足够精确地还原有限元模拟得到的耗散能。

Iwan模型非线性恢复力及能量耗散计算研究

广泛应用于装配结构中的螺栓连接会对整个结构的动力响应产生显著的影响,可见,研究这类连接部位的动力学行为具有重要的意义。该文对描述此类连接形式的动力学行为的Iwan模型进行了深入的研究。首先推导了当构成模型的Jenkins单元的屈服力满足均匀分布的情况下,Iwan模型分别处于局部滑移和整体滑移运动时的描述模型恢复力的分段非线性函数,并对其进行了归一化处理;接着在其基础上,推导了在这两类滑移运动中,模型周期能量耗散的归一化计算公式;最后还进一步对修正Iwan模型进行了研究。研究成果为研究装配结构的结构阻尼和非线性动力学行为奠定了基础。

基于谐波平衡法的含Iwan模型干摩擦振子非线性振动

通过谐波平衡法,研究了由Iwan模型和1个质量块构成的干摩擦振子系统的自由振动和受迫振动问题.对于自由振动,推导了系统卸载和加载过程中各自对应的非线性运动方程;通过谐波平衡法,求得了各方程的1阶谐波解;为了得到方程正确的数值解,提出了确定零速度时刻的策略;数值算例结果表明:谐波平衡法与数值方法得到结果吻合较好,从而验证了谐波平衡法求解此类问题的有效性.对于系统微滑移下的受迫振动,采用谐波平衡法求得了系统的幅频关系.最后,对Iwan模型阻尼特性的研究发现,模型等效黏性阻尼比与其振幅存在非线性关系.

基于修正Iwan模型的螺栓结合面非线性建模研究

准确建立高保真的螺栓结合面非线性力学模型是分析高端装备的前提和基础。针对螺栓结合面的迟滞非线性力学问题,提出了一种修正Iwan模型的力学建模方法,使得传统唯象的Iwan模型各参数物理意义更加明确。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过考虑动态和静态摩擦因数的差异并利用库仑摩擦定律,将修正后的Iwan唯象模型与具体的法向接触模型联系起来,提出了新的螺栓结合面切向响应模型;最后,基于Matlab仿真和已有的试验数据,验证了所建模型的正确性,并探究了加载条件、塑性指数和动静摩擦因数比对结合面接触特性的影响。研究表明:一个周期加、卸载的能量耗散是随着位移幅值的增加而递增;相比于塑性指数,动静摩擦因数比的改变对结合面切向载荷的影响更为显著,在后续研究中需重点考虑;微凸体临界滑移力分布受其他因素的影响主要体现在接触微凸体的数目、峰值点的位置以及曲线收敛速度的改变。

考虑碰撞挤压的螺栓接头迟滞回线建模

在振动、冲击载荷作用下,螺栓连接结构呈现出明显的非线性迟滞现象,影响结构的整体性能。传统的动力学研究仅考虑连接界面的微观/宏观滑移,很少研究螺栓杆与孔壁之间由于界面滑移产生的接触力。基于BRAKE的RIPP模型,提出一种考虑能量损耗的“钉扎接触力”模型,以实现对切向力3个阶段的整体迟滞回线建模;基于该模型,分析预紧力以及摩擦因数对迟滞回线的影响。提出的模型与现有的研究结果吻合性良好,验证了整体迟滞模型的有效性。研究表明:摩擦因数和预紧力的增加会扩大迟滞回线所包围的面积,进而导致单个周期内切向滑移所造成的能量损耗逐渐增加;相比于摩擦因数,预紧力对微滑移阶段的迟滞特性影响更为明显。提出的模型可以反映出“钉扎”接触过程对迟滞特性的影响,有助于更好地揭示螺栓连接在冲击载荷下的响应特征及其非线性行为,为后续螺栓连接结构动力学建模提供帮助。

考虑滑移的螺栓连接动力学建模方法

螺栓连接结构受载时经常会出现滑移,这种滑移会影响结构的动力学性能,继而对结构的性能和寿命造成影响。本文以双螺栓连接结构为对象,通过实验和数值仿真手段研究滑移对结构模态特性的影响。实验结果表明,预紧力的增大会导致共振频率上升,而随着激励幅值增大,共振频率下降且每个周期能量耗散量对模态力的梯度增大。基于实验结果,结合考虑滑移的Iwan模型理论,建立非线性动力学模型,应用四阶龙格库塔法进行求解。根据计算结果对宏观滑移情况下的结构模态进行分析,发现此时二阶弹性模态中的共振频率下降量增大,能量耗散量对模态力的梯度降低。该数值计算模型可以很好地表征螺栓连接结构的模态特性,且计算效率高。

连接结构接触界面非线性力学建模研究

连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因.由于连接界面的力学行为的复杂性,以及难以对连接界面进行直接试验观测,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题.本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood and Williamson)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比.考虑连接界面具有典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证.结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面的非线性特征,并与有限元结果吻合较好.

循环荷载作用下饱和软黏土应变软化模型研究

循环荷载作用下,饱和软黏土将发生应变软化现象。而以往的研究中往往忽略土体的各向异性固结对软黏土循环软化特性的影响,并且以往对循环软化的研究大多采用低频循环荷载方式。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究循环次数、循环应力比、固结比、频率、超固结比对土体应变软化的影响。试验结果表明,循环次数的增加,循环应力比的提高,都将加快土体软化;循环荷载作用下,软黏土存在临界循环应力比,当循环应力比较小或较大时,软化指数与lgN近似为线形关系,而当循环应力比在临界循环应力比左右时,两者表现为明显的曲线关系。随着频率的提高、土体超固结性的增强,土体软化程度降低。当土体为各向异性固结时,在循环应力比较小的情况下,随着固结比的增加,软化指数逐渐减小;当循环应力比较大时,在循环初期,土体的各向异性固结加速了土体的软化,但随着循环次数的增加,各向异性固结土体的软化指数逐渐要大于各向同性固结土体。同时,在试验的基础上推导反映土体软化规律的经验公式,利用该公式并结合修正的Iwan模型对软黏土的动应力–应变关系进行描述。

栓接结合部迟滞非线性建模与辨识方法

由于栓接结合部是导致结构发生复杂非线性特性的主要因素,而对栓接结合部的传统处理方法往往忽略结合部的非线性特性或采用等效线性化的数学方法来建模,造成无法准确分析和研究栓接结合部的非线性动力行为。通过实验研究结合部上微凸体间相互挤压、搓动引起的能量耗损机理,运用Iwan模型描述栓接结合部的迟滞非线性现象。在准静态条件下获得力-位移实验数据,利用无约束非线性优化方法和Newton迭代法辨识出Iwan模型中的未知参数,从而获得随外载荷幅值变化下的迟滞非线性特性,并与实验结果进行比较。结果表明,利用Iwan模型能够准确反映出栓接结合部所表现出的能量迟滞机理和非线性行为。

初始剪应力对软土场地震反应的影响

实际工程的边坡、斜坡以及挡土结构中的土体都存在一个初始剪应力的作用。在初始剪应力的作用下土体会产生较大的残余应变。然而,原始Iwan模型难以考虑这种因素的影响。因此,将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响,同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的残余应变;最后,结合Masing准则对软黏土的动应力-应变关系进行了描述。在此基础上,将修正的Iwan模型用于软土层的一维非线性地震反应分析。通过分析发现,当场地存在初始剪应力且受到强震时,土体模型需考虑这种因素的影响,否则可能低估速度及加速度幅值,也会低估最大剪应变幅值。

连接界面迟滞非线性特征的动力学分析

连接界面上多物理场、非线性等力学行为是引起复杂结构动力学的主要原因,会引起结构的刚度软化和幅变阻尼。利用Iwan模型描述连接界面黏滑摩擦行为引起的迟滞非线性特征,采用数值积分获得连接结构非线性力学行为影响的传递特征,将绝对加速度的传递特征转化为相对加速度的幅频和相频特征,进而辨识出连接结构随频率变化的等效刚度和阻尼特征,并且研究了不同激励幅值对连接界面非线性动力学行为的影响。结果表明:Iwan模型能够较好地描述连接面的刚度软化和幅变阻尼特征,随着激励幅值的增加,连接界面的动力学行为由微观黏着控制逐渐转化为宏观滑移控制,等效刚度逐渐下降,表现为结构刚度的非线性软化特征;等效阻尼在微观滑移阶段逐渐增加,但在宏观滑移阶段却有所下降,表现为幅变阻尼的特征。

基于时频域交替法的迟滞非线性振动系统的稳态响应分析

连接界面的黏滑、摩擦行为不仅是引起结构刚度和阻尼非线性的主要原因,而且是结构无源阻尼的主要来源.Iwan模型能够较好地复现连接界面的黏滑、摩擦行为.本文采用时频域交替法(Alternating Frequency/Time Domain Method,AFT)研究含Iwan非线性模型的单自由度振子系统的稳态响应.时频域交替法具有频域法求解线性系统响应的高效性和时域法判断非线性力的便捷性特点,采用离散傅里叶变换和傅里叶逆变换,在频域和时域内分别求解系统响应和对应的非线性恢复力,再反复迭代计算系统的稳态响应.将时频域交替法计算结果和中心差分法计算的结果进行对比,并研究激励幅值对系统非线性特征的影响.结果表明,时频域交替法计算的结果与中心差分计算的结果具有较好的一致性,且求解效率较高,计算耗时减少50%;随着激励幅值的增加,系统的能量耗散增加,刚度降低,固有频率降低.

考虑连接界面局部非线性的动力学分析方法

连接界面上存在的多尺度、多物理场等复杂行为是引起结构阻尼和刚度非线性的主要原因。针对连接界面上典型的刚度软化、迟滞非线性行为,采用Iwan模型模拟连接结构进行力学建模,并推导了含有非线性连接的动力学微分方程。然后,采用时频交替方法求解非线性动力学方程在周期性激励作用下的稳态响应,并与数值积分方法计算的响应进行对比,最后研究了不同激励频率对连接界面非线性特性的影响。结果表明:Iwan模型能够较好地描述连接界面的刚度软化、迟滞特性,时频交替方法能够更加快速精确地求解非线性系统的稳态响应,随着激励频率的增加,位移响应最大值减小,迟滞曲线面积也相应减小。

简谐激励下一类干摩擦振子的响应计算

本文提出了计算简谐激励下一类干摩擦振子系统响应的解析方法,振子系统的摩擦力用含有限个Jenkins单元的Iwan模型描述。针对力-位移之间的分段线性关系,对振子运动逐段进行分析,并给出了各阶段内的系统的振动方程,最后通过变量代换,获得了方程的解析解.由于每个阶段解的初值均由位移和速度的连续性条件得到,因此顺次求得各线性阶段中响应便获得了整个时域上的响应.仿真结果表明,随着外激励量级的递增,接触面出现滑移,使得接触刚度减小,因而系统幅频曲线峰值明显左移;另一方面,系统的等效粘性阻尼会随着激励量级的递增而先增大后减小.

含螺栓连接结构的非线性静力学拓扑优化

针对含螺栓连接的组合结构,采用六参数Iwan模型描述螺栓连接部分的非线性力学行为,以结构质量最小为目标函数,以单元最大等效应力满足许用应力要求以及连接处不产生宏观滑移为约束条件,建立含螺栓连接结构的非线性静力学拓扑优化方法。通过含螺栓连接圆筒组合结构的优化算例,验证了所提出方法可以应用于含螺栓连接复杂工程结构的静力学拓扑优化设计。