具有弹性连杆的机构的非线性振动分析

应用有限地的基本思想建立了具有弹性连杆机构的多刚体－弹簧－铰链系统离散化模型，再利用建立多刚体系统动力学方程的矩阵方法导出了离散化模型的非线性系统动力学方程。数值计算结果有限元法的结果的一致性，说明了本方法的有效和简便。     

沉管隧道纵向地震响应分析的多体动力学方法

沉管隧道纵向地震响应分析是沉管隧道抗震设计的关键。根据沉管隧道结构的几何特征和结构特点,基于合理假设建立了沉管隧道的多刚体-弹性阻尼铰-阻尼铰动力学模型,并运用多体动力学理论中的离散时间传递矩阵法(MS-DT-TMM)推导出了其数学模型及表达式。通过算例进行了沉管隧道纵向地震响应的时程分析,并将该方法与传统有限元方法的计算结果进行了对比,结果表明了MS-DT-TMM法的可行性和有效性,为快速实现沉管隧道抗震计算分析提供了新的手段。     

杆件结构非线性动力分析的多刚体方法

本文论述了杆件结构多刚体－弹簧系统模型的建立及其在平面弯曲情况下动力学方程的推导，文中用此方法对梁动力大变形与非线性材料的动力响应作了数值分析。     

含损伤任意弹性支撑梁结构EMI响应分析

针对已有压电智能梁结构EMI响应模型不能适用于任意弹性边界情况的缺陷,考虑了压电片的惯性力因素,将边界模拟为线性弹簧和扭转弹簧的组合,建立并求解压电智能梁结构动力学方程,得到任意边界弹性边界含损伤压电智能梁结构EMI响应模型,将所建模型计算结果与实验测量进行比较,验证了所建模型可以较精确地预测EMI响应信号。     

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System,TTBS）动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method,IHM）。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。     

架空线路风偏计算的多刚体动力学模型及其分析

为准确高效地计算架空线路动态风偏位移响应,进而预防风偏闪络事故发生,结合架空线路风偏摆动的运动特征,考虑绝缘子串中各个绝缘子的相对运动,采用多个刚杆与扭转弹簧相互连接模拟架空导线,根据风偏变形的力学关系与能量守恒原则,建立了连续档架空线路风偏位移响应的多刚体模型与动力学方程;通过量纲分析与相似理论构建物理仿真模型的风洞实验,验证多刚体模型的准确性;通过对工程实例进行数值仿真分析,并比较多刚体模型与通用软件有限元模型的运算时间,验证多刚体模型的高效性。研究结果表明：连续档架空线路的风偏多刚体动力学模型可以有效展现各个绝缘子串与各档导线的动态风偏响应规律,计算精度能够满足工程使用需求,计算效率优于有限元模型。     

考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟与试验验证

基础隔震技术由于良好的隔震性能在实际工程中得到广泛应用。现有的隔震结构分析方法主要采用宏观尺度（如弹簧单元）对其地震响应进行分析研究,隔震支座采用弹簧进行模拟时,该文模型只能反映结构的整体响应而未能考虑隔震支座及其他局部关键位置的细节。因此,为了解结构局部关键位置的力学性能（如隔震支座）,该文提出一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法。首先,建立微观单元（实体单元）与宏观单元（梁单元）之间的多尺度界面连接方程;其次,通过不同尺度单元之间有效组合建立四种不同串联隔震体系模型（弹簧-梁单元模型、弹簧-实体单元模型、多尺度模型和全实体单元模型）,在四种模型梁端施加往复荷载得到其滞回曲线,并与试验结果进行对比分析。分析结果表明,采用多尺度模拟方法不仅能掌握结构局部关键位置（隔震支座）受力特性,还可以提高计算效率,减少计算时间和存储空间,并在计算精度和计算代价之间得到了均衡。在此基础上,结合串联隔震结构振动台试验进一步验证多尺度分析方法的有效性。最后利用多尺度有限元模拟方法的优越性分析某基础隔震结构的动力响应。     

框架—自复位墙结构弹性地震反应分析的简化方法

针对框架—自复位墙结构,将自复位墙假定为刚体,框架简化为多自由度体系,得到了“刚体—多自由度体系”简化分析模型,建立了地震激励下的运动方程,给出了相应的Simulink动态仿真模型。针对典型算例,在多条地震波激励下,分别采用该文提出的方法及ABAQUS有限元软件进行了弹性地震响应分析。总体上,二种方法得到的计算结果差别较小,表明该文所建立的简化分析模型具有较高的计算精度,同时具有很高的计算效率,能进一步应用于框架—自复位墙结构的抗震设计。     

地震作用下高耸结构动力响应波动分析方法

针对高耸结构沿高度方向进行空间离散并构造出控制体,基于Timoshenko梁理论,建立控制体的动力学方程。在时间域上交替运用控制体动力学方程和剪力-位移关系式、弯矩-转角关系式,提出一种研究地震作用下高耸结构动力响应的波动分析方法。利用所提出的方法对南京电视塔在地震作用下的动力响应进行分析,计算结果表明:南京电视塔受地震作用时,大塔楼处位移峰值大于有限元方法的计算结果,大塔楼处出现转动惯性力矩峰值,研究高耸结构的地震响应问题时不应忽略转动惯性的影响。所提出的方法为研究地震作用下高耸结构的动力响应问题提供了一种有效的途径。     

热冲击下的复合材料壳刚柔耦合动力学研究

研究了在热冲击下任意形状(仅一个方向有曲率)复合材料壳的非线性刚柔耦合动力学响应。根据Mindlin理论,建立了任意形状的复合材料壳的非线性应变-位移关系。借助于数学理论以及几何关系,描述了壳上任意点的变曲率。用虚功原理建立了动力学变分方程,并采用等参单元对壳的连续动力学方程进行离散,建立了中心刚体-复合材料壳的刚-柔耦合动力学方程。用高斯积分计算常值阵,为了提高计算效率,采用广义-α法结合Newton-Raph-son迭代法对动力学方程进行积分。将采用该方法计算得到的频率与ANSYS软件计算得到的作对比,验证了模型的正确性。通过算例分析了在热冲击作用下复合材料壳的线性、非线性的动力学特性,以及曲率、材料特性对动力学响应的影响。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

考虑附加质量的旋转柔性梁的随机动力学分析

摘要：研究了带有附加质量的中心刚体-柔性悬臂梁系统在参数具有随机性时作大范围运动的动力响应问题。基于假设模态法和Lagrange方程建立了带有附加质量的中心刚体-柔性悬臂梁系统的一次近似耦合随机动力学方程,利用混沌多项式结合高效回归法将其转化为完全隐式纯微分方程,求解方程得到柔性悬臂梁变形位移响应的数字特征。最后,通过数值仿真对物理参数和几何参数具有随机性的系统进行动力特性研究。仿真结果表明：利用随机参数的动力学模型能客观地反映出系统的动力学行为;部分随机参数的分散性对柔性体动力响应的影响不可忽视。     

冗余约束多刚体系统摩擦碰撞问题的数值求解方法

针对冗余约束多刚体系统的摩擦碰撞问题,以牛顿恢复系数作为碰撞终止条件,以离散化的系统动力学方程和线性规划理论为基础,建立了相应的混合互补模型。为有效求解该模型,利用最小二乘法和线性化方法,将混合互补模型转化为标准的线性互补模型,用线性互补模型的求解算法进行数值求解。接着,提出一种直接投影修正算法对碰撞计算过程进行修正,有效防止了碰撞加剧约束违约的现象。最后,通过一个算例,验证了数值求解方法和修正算法的有效性。     

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。     

钢弹簧浮置板隔振器垂向动反力随机振动特征研究

为研究地铁浮置板轨道(FST)钢弹簧隔振器的垂向动反力(DRF)的随机性特征,采用有限元法与虚拟激励法(PEM),建立了列车-浮置板轨道(T-FST)耦合系统垂向随机振动计算模型。采用多刚体动力学建立列车模型;采用有限元方法建立浮置板轨道有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-浮置板轨道耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-浮置板轨道耦合时变系统随机振动计算模型。基于该模型,计算研究了钢弹簧隔振器垂向动反力的随机特征。研究表明:钢弹簧隔振器动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对钢弹簧隔振器动反力影响较小;不同轨道不平顺对钢弹簧隔振器动反力功率谱主频分布影响不显著;钢弹簧隔振器动反力统计参数随着车速的增大而增大。     

具有不确定参数车轨耦合系统 随机振动灵敏度分析

对于轨道不平顺作用下具有不确定结构参数的车轨耦合系统随机振动灵敏度问题进行了研究。车辆采用多刚体动力学模型,弹性轨道采用无穷周期子结构进行模拟。在哈密顿对偶体系下建立了车轨耦合系统混合物理坐标及辛对偶坐标的动力学方程,应用解析手段推导出其相对系统不确定参数的灵敏度控制方程。进一步,基于虚拟激励法和辛方法建立了车轨耦合系统随机振动响应灵敏度分析方法。数值算例结果表明:所提出的灵敏度分析方法具有较高的计算精度,并保留了虚拟激励法高效的特性。该文所开展的工作对于车辆系统动力学参数设计与优化具有很好的参考价值。     

考虑桨叶伺服控制的浮式风机多刚体动力学建模与验证

浮式风机是深远海域风力发电的关键结构,分析其在复杂海况下的动力学响应特征对保障远海风能开发具有重要意义。在初步设计和方案比选阶段,需要开发能够定量把握浮式风机动力学主要特征、且分析高效的一体化分析模型。为此,针对大型Spar式海上浮式风机,建立了多刚体动力学全耦合分析模型。基于Lagrange方程,推导了考虑桨叶转动与桨距控制的8自由度刚体运动方程。结合所建议的多刚体模型,基于Spar式浮式风机1∶50缩尺模型试验实测数据,建立了与试验物理模型相应的一体化多刚体数值模型,并进行了静力、纯风、纯浪以及风?浪联合条件下数值分析结果与试验观测结果的对比分析。采用本文建模理论,建立了OC3?Spar式浮式风机足尺结构数值分析模型,并与常用的风机结构分析软件FAST的计算结果进行了对比分析。通过与上述缩尺物理模型试验和足尺数值模型软件分析对比,验证了浮式风机多刚体动力学分析模型的有效性。     

基于社会力模型的人群-桥梁竖向动力耦合效应研究

针对越来越多的轻质柔性人行桥在随机人群荷载作用下的结构振动问题,为了能够获得更为真实、精细的振动响应,建立考虑人群-结构相互作用的随机人群荷载模型尤为重要。首先利用移动弹簧-质量-阻尼模型模拟单人的动力学行为,并基于社会力模型,建立人群的随机运动模型,进而建立考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载模型。根据任意时刻人行桥和随机人群动力平衡,建立随机人群-人行桥耦合振动的控制方程。利用状态空间法求解人行桥动力参数随随机人群运动的变化情况,利用振型分解法求解耦合振动控制方程,探讨考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载对人行桥模态以及振动响应的影响。分析结果表明耦合系统模态变化量随着人数增加而增加。行人随机性与人群-结构相互作用对轻质结构的竖向动力响应影响很大,故在计算轻质结构振动响应时不可忽略。相比于加速度峰值,均方根加速度能够弱化随机波动的干扰作用,因此也采用了1-s均方根加速度更合理地衡量了结构的振动响应。     

四刚体人体行走模型及其人行荷载分析EI北大核心CSCD

为模拟人体行走过程中的力学行为,运用多刚体模型对人体进行简化建模,建立了四刚体‑四自由度的人体动力学模型。运用欧拉‑拉格朗日方程的方法推导了动力系统摆动阶段动力学方程。为了使四刚体模型的行走具有拟人性,使用贝塞尔曲线对驱动自由度的运动轨迹进行了规划,从而将多自由度的运动方程简化为求解单自由度常微分方程的边界值问题。将数值模拟结果与试验和荷载模型进行对比,验证了所建立模型的可行性。     

基于频域子结构法的动量轮弹性边界微振动研究

动量轮会与卫星弹性安装界面发生结构耦合,并将导致动量轮微振动的定量分析更为复杂。基于频域子结构方法对动量轮与弹性边界耦合系统的微振动特性进行研究。对频域子结构法进行了推导,引入界面坐标转换矩阵表达不同坐标系下子结构的综合;将动量轮模型简化成12自由度质量-弹簧-阻尼系统,并采用Lagrange能量方法建立其运动方程;将耦合系统划分成动量轮与弹性边界两个子结构,应用推导所得的频域子结构法综合子结构的频响函数得到耦合系统的频响函数矩阵并计算其响应;运用数值仿真和多体动力学仿真进行了验证。结果表明:频域子结构法适用于预测动量轮在弹性边界的微振动响应,具有较高的分析精度和计算效率。