张运良[1]2002年在《冰载荷的识别及冰激振动的实验与数值模拟》文中指出海冰-结构的动力相互作用、冰激振动及冰载荷的识别问题，仍是目前工程海冰界的核心和热点问题。但由于问题的复杂性，公认的能够描述冰-结构动力相互作用力学机制的数学物理模型还远未找到，对冰激振动机理的认识远未统一，现有各类冰载荷的识别方法还存在着许多不尽人意之处，因此，本文利用室内模型实验、数值分析和模拟等手段开展了以下叁个方面的初步研究：(1)海冰-柔性结构动力相互作用时冰载荷的识别方法；(2)冰激柔性锥体振动的室内实验模拟；(3)基于DDA方法的冰-结构动力相互作用的数值模拟。相应地，主要研究内容和研究成果分为叁部分： 工程实际中冰载荷的获取有直接测量法和识别反演法两大类，各具优势和特点，都有一定的效果。本文第2章着重开展了动态载荷(包括冰载荷)的识别方法研究，它为本文后续工作的开展打下了必要的基础。首先，介绍、比较和总结了现有文献中关于冰载荷识别的各类主要的频域和时域方法，然后，针对现有时域识别方法的计算繁复、工作量大、稳定性和抗噪能力都较弱的缺点，对具有工程应用前景的一类载荷时域识别方法作了进一步的改进：放弃了目前现有文献中关于未知外载荷在离散时间间隔内为阶跃常荷载的假定，采取在微小的时段内外载荷是按线性规律变化的更为合理的假设；重新推导并建立了对于比例阻尼系统的一套新的载荷识别公式和程序。同时，通过对离散时间间隔的控制，可以保证该识别计算具有很强的数值稳定性和抗噪能力。依据本文的识别模式和程序，能够实现由结构的任一种类型的响应(位移或速度或加速度或应变)或各类响应的组合来确定未知作用力的时程。经算例详细地论证，作者提出的载荷识别公式相对于文献中所给出的公式而言，形式简洁、明了，应用方便，计算量小且效率高，并且具有较强的稳定性和抗噪能力，适用于稳态和非稳态等各类载荷的识别。该方法成功地应用于如下冰激锥体振动实验中动态冰载荷的识别。 模型实验是探讨冰激锥体振动机理和特点的一个有效途径，因而第3章就介绍了作者利用DUT-1非冻结可破碎模型冰和自行设计的柔性加锥模型结构，所设计的冰速变化而其它参数固定时模拟冰激锥体振动的室内实验方案。测量了模型冰排和小冰样的弹性模量和弯曲强度，以及相互作用过程中结构上特定点处的位移、加速度和动应变时程，拍摄了冰排-结构动力相互作用的整个过程。利用作者在第2章中提出的动态载荷时域识别方法，依据结构的振动响应，识别了作用于模型结构上的动态冰载荷时程，进而得到了相应的载荷Fourier频谱，并对反演计算的效果进行了说明和验证。从实验和计算结果得出的结论是：冰激锥体振动是一种间歇性的随机受迫振动+自由阻尼振动，且以低频振动为主；DUT-1模型冰排在与锥体模型结构动力相互作用时，主要以弯曲折断的方式破坏，兼有压缩、剪切型破坏，与原型观测较为符合；依据结构的动态响应所识别的动 大连理工大学博士学位论文一冰力，在量级上比较符合实际，而冰力随冰速和时间的双重变化关系不ggffi简单的函数定量地描述，但冰力最大幅值有随冰速的提高而增大的趋势：动冰力具有较为丰富的频率成分，主要集中在0～3他的频带范围内：在某一特定条件下，冰激锥体振动sic产生动力放大的共振现象，但需要进一步的实验验证。 数值模拟是研究冰—结构相互作用及冰激振动的另一个有效途径。第4章所涉及的是非连续变形分析（DDA）方法在模拟海协结构相互作用领域的初步应用。首先简单介绍了二维DDA方法的基本理论，然后将高速运动的冰排理想化为弹脆性材料，并应用＊）f＼H维程序将冰排和结构都离散成块体系统，结合两个算例探讨了DDA方法的适用性。结果中不仅直观地给出了小结构相互作用时冰排的破坏就，而且给出了柔性结构上代表观测点的位移及速度响应时程，接触面上结构的局部水平应力曲线，以及结合作者提出的动载时域识别技术利用响应反演得到了作用于结构上的等效总动冰载荷。根据模拟结果，认为DDA方法为研舶冰与结构的动力相互作用和冰激振动问题跳了一条可行的新思路。
齐念[2]2009年在《冰激桥墩振动模型试验研究及冰荷载的识别》文中认为冰与结构的动力相互作用而引发的冰激振动以及冰载荷的识别问题,是目前冰力学中的核心和热点问题。但由于问题的复杂性,公认的能够描述冰-结构动力相互作用力学机制的数学物理模型还远未找到,对冰激振动机理的认识也未统一,现有各类冰载荷的识别方法还存在着许多不尽人意之处。桥梁结构作为跨海大桥或河流中重要的交通枢纽,其冰激振动问题不容忽视。本文利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室优良的实验条件,开展了冰激桥墩振动模型试验以及动冰载荷识别的研究,主要内容和研究成果分为以下叁部分:首先,模型试验是冰力学研究中十分重要的一种方法和手段,但目前国际上动冰力模型试验的发展还不够成熟。在静冰力模型试验的基础上,针对冰激桥墩振动问题推导了理想化的动冰力模型试验相似律,但由于相似准则要求比较苛刻不便于应用,通过引出合理的假设提出了一种修正的容易实现的动冰力模型试验相似律。并以某桥墩为例,应用有限元数值模拟,分别对原型和模型各物理量的相似比尺进行了验证,结果表明修正的动冰力模型试验相似律是合理的。其次,为了研究冰激桥墩振动的机理和特点,以某桥墩为背景,设计了一套试验方案,同时为了实测冰力时程,自行研制了一种光纤光栅冰力传感器,实测结果反映良好。然后,利用DUT-1模型冰,模拟了叁种冰速(低、中、高)变化时的冰-桥墩动力相互作用过程,实测了冰力和桥墩各测点处的响应。试验现象和结果表明:低冰速下,冰排发生压屈破坏,中高冰速下则发生挤压破坏;将实测的冰力换算到原型上,数值和量级均与实际较符合,试验还证实了挤压破坏产生的冰力与比弯曲破坏要大;随着冰速的增加,动冰力的峰值有增大的趋势,频谱分析显示其具有较为丰富的频率成分:实测的位移和加速度数值均较小,但随着冰排速率的增加有逐渐增大的趋势,位移频谱分析表明桥墩结构主要以第一阶模态振动。另外,建立了考虑动水压力影响的冰激桥墩振动有限元模型,将实测的冰力作为已知输入进行数值模拟,计算结果表明:实测值和计算值在随时间变化规律上基本相同,最大相对误差接近30%,是比较理想的。最后,提出了应用精细时程积分方法进行冰载荷的识别。根据该方法的基本原理,假设外载荷在离散的时间间隔内按线性变化,详细推导了单自由度体系和多自由度体系的载荷识别公式并编写了程序;经算例详细论证表明:该方法形式简洁明了,适用性强,计算量小且效率很高,应用方便。
屈衍[3]2006年在《基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析》文中指出本文基于对冰荷载测量现场实验数据的分析,对作用在冰区海洋结构上的随机冰荷载进行了研究。 为了研究作用在海洋结构上的冰荷载以及冰激结构振动问题,在渤海JZ9-3海域的GCP平台,MDP系缆桩以及JZ20-2海域的叁座加锥海洋平台,建立了完备的原型结构冰荷载测量系统,进行了长期的现场冰荷载测量实验。同时在合作开展的欧盟LOLEIF和STRICE项目中,在瑞典的Norstromsgrund灯塔(直立结构)进行了系统的冰荷载现场测量工作。在实验中利用压力盒对直立结构,锥体结构上的冰荷载进行了直接测量;利用加速度传感器对冰激结构振动响应进行了测量;利用摄像头对冰速,冰厚及冰与结构作用过程等相关信息进行了视频记录。实验中,得到了大量高质量的冰荷载数据。 通过对直立结构上现场试验数据的分析,发现直立结构常见振动为较强的随机振动,此时冰快速运动并发生连续挤压破碎;而冰慢速运动时结构发生的自激振动振幅最大。通过对压力盒冰荷载数据及冰挤压破碎过程的分析,基于连续挤压破碎冰力分形特征,利用Weierstrass函数对挤压破碎冰力时程进行了模拟,建立了冰力模型;通过对连续挤压破碎冰力数据进行谱分析,引入风荷载谱分析理论,在频域上建立了冰力谱模型。同时发现,挤压破碎最大冰力具有明显的尺寸效应。基于这一发现给出了挤压破碎最大冰力的计算方法。该方法与利用断裂力学理论分析挤压破碎过程得到的最大冰力计算公式符合良好。 通过对锥体结构振动响应数据及冰荷载数据的分析,发现作用在窄锥结构上的冰力具有一定周期性,可以引起柔性海洋结构的冰激振动。压力盒冰力数据显示作用在窄锥上的冰力可以简化为具有一定周期幅值的叁角形冰力脉冲。通过对冰力周期,幅值样本的统计分析,确定了冰力周期、幅值的随机分布及确定方法,建立了随机冰力函数。通过对冰力数据的谱分析,得到了窄锥结构上的冰力谱形式。发现冰力谱介于窄带宽带之间,可以用Neumann谱进行模拟。通过对谱参数与冰力参数关系的分析,建立了窄锥结构上的冰力谱模型。同时对冰与锥体作用的相关问题进行了讨论,分析了加锥对结构抗冰的影响。 以冰激结构振动响应预警,冰激结构振动疲劳分析以及冰激振动下海洋平台动力优化设计为例,对本文得到的冰荷载模型的应用进行了举例与验证。
朱宁[4]2016年在《高速列车转向架构架结构损伤一致性载荷谱理论研究》文中提出载荷谱是进行结构可靠性定量分析和试验评定的基础。高速列车转向架构架因其复杂的结构形式和多源独立载荷承载方式,其载荷谱的建立是一个需要深入研究的问题,也有相当难度。列车在高速运行条件下,外界激扰频率可能接近或超过转向架构架最低阶弹性固有频率,此时有可能产生比较强烈的结构弹性振动,进而使结构载荷与疲劳损伤的对应关系与静态情况相比有较大区别,有必要对此开展针对性的研究工作。由于缺乏使用的载荷谱,国际上现行的转向架构架可靠性设计规范和试验标准尚处于定性层次,对构架可靠性的预测结果与实际情况往往存在较大差异。因此结合高速列车实际运行条件,研究建立与转向架构架结构损伤具有一致性的载荷谱,对于提高高速列车转向架构架可靠性的设计水平很有意义。本文构建了高速列车转向架构架载荷谱基本力系；研究了构架结构基于准静态变形模式的载荷测试方法,以及与构架结构简化动态基本力系对应的简化动态载荷-时间历程的构建方法；对构架结构准静态载荷谱与考虑动态影响的载荷谱进行了比较。主要内容如下：(1)研究了高速列车转向架构架载荷谱基本力系的构建。建立了涵盖构架结构准静态主要变形模式的准静态基本力系；根据振动与有限元理论,将与结构弹性振动特征关联的弹性动态变形模式分解为各阶弹性振动模态的组合,建立了构架结构弹性动态基本力系。(2)研究了构架结构准静态载荷测试方法。设计了构架准静态载荷测试系统方案,制作了高速列车转向架测力传感器组合系统；在多通道液压伺服加载标定试验台上完成了测力构架的静态标定试验；依据标定数据,建立了构架结构准静态载荷耦合模型；通过线路实测获得了与准静态基本力系对应的构架结构准静态载荷-时间历程,建立了构架结构准静态分立载荷谱。(3)研究了与构架简化动态基本力系对应的简化动态载荷谱构建方法。建立了与构架弹性动态变形模式对应的简化动态基本力系,验证了构建的构架简化动态基本力系能够表征结构的弹性动态变形特性；通过线路实测数据获得了构架结构简化动态载荷-时间历程,得到了构架结构简化动态分立载荷谱。(4)根据损伤一致性载荷谱编制准则,采用遗传算法,分别对构架结构准静态分立载荷谱、构架结构准静态与简化动态分立载荷谱组合进行了校准。仅考虑准静态分立载荷建立的载荷谱与考虑全部准静态和动态分立载荷建立的载荷谱所对应的损伤情况相当接近,表明动态载荷成分对于构架损伤的影响有限。因此,在建立构架结构的载荷谱时,本文测试工况下,仅考虑准静态载荷即可。(5)对于京沪高铁客运专线典型区段,分析了线路实测获得的构架结构载荷的动态特性。结果表明,线路激扰对转向架构架载荷具有显着影响。高速正线运行工况构架结构准静态载荷表现出频率高、幅值低的特点：进出站工况构架结构准静态载荷动态值明显大于高速正线运行工况,且出现较大的波动与冲击力。
刘玉萍[5]2012年在《海冰影响冻融损伤的桥梁结构安全的机理及应用研究》文中研究指明随着人类对海上空间的开发和利用,跨海大桥以其无与伦比的经济、社会效益和独特的造型、创新的技术如雨后春笋层出不穷。与陆地桥梁不同,跨海大桥下部支撑结构处于环境复杂的海洋内,特别是位于冰冻海域的桥梁结构,盐害、冻融、海冰、海浪、海流等多重腐蚀环境的综合作用严重影响其安全问题。大体积的流冰撞击结构引起的冰激振动,不仅能引起结构的疲劳破坏,而且还有可能引起上部结构或者设备的损坏和失效。此外,长期的冻融循环对混凝土结构的侵蚀破坏也会影响桥梁结构的耐久性和安全性。目前,海冰已成为跨海大桥及近海工程结构物设计的不可忽视的主要环境因子和控制荷载之一为保证冰冻海域跨海大桥的安全稳定,深入开展冰和结构的相互作用机理的相关研究,将会为跨海大桥的设计、施工、运营及改造提供重要的设计参数和理论根据。目前,此研究也越来越受到工程界的关注,并对海上工程提出了越来越多的更严格的限制和更可行的要求,这就对冰-结构相互作用机理的研究、结构安全性能评价等提出了更加迫切的需求和严格的要求。鉴于以上因素,本文综合考虑冻融破坏混凝土的性能衰退及冰激振动等因素,全面系统的研究冰厚、冰速、结构形状、柱顶集中荷载对结构的冰激振动的影响；采用多材料耦合的内聚力冰模型,在流固耦合作用下,分析了桩间距、尺寸比率及结构刚度等对结构的冰激振动的影响,并以青岛海湾大桥为工程背景研究了不同服役期内冻融损伤桥梁下部结构在冰激振动作用下的动力响应。本文的主要研究内容如下：1.建立了冻融损伤混凝土本构关系本文基于室内试验的基础上,研究分析了不同冻融循环次数的混凝土的力学性能衰退规律。在断裂力学理论的基础上,建立了不同冻融循环次数混凝土的本构关系。通过本构关系可以看出,随着冻融次数的增加,混凝土的应力-应变关系曲线逐渐趋于扁平,应力峰值明显降低,应力峰值所对应的应变值逐渐增加,曲线与坐标轴包围的面积减小,耗能能力逐渐降低。2.研究了结构的冰激振动及影响因素在理论分析的基础上,利用通用的ANSYS软件建立了冰与不同形状混凝土结构相互作用的有限元模型,选用显式非线性有限元软件LS-DYNA对其作用过程进行了数值计算。分析结果表明冰厚、冰速、结构形式以及有无柱顶集中质量等因素对冰破碎模式及结构的响应特征都有不同程度的影响,分别分析其物理过程及影响程度,探索了冰和结构动力作用的机理。3.建立了冰的内聚力模型及研究了结构的冰激响应根据冰的细观结构特征及冰与直立结构相互作用的楔形破坏理论,利用内聚力理论,建立冰的内聚力数学模型。借助于LS-DYNA庞大齐全的材料模型库,建立了多材料耦合的冰的内聚力有限元模型；利用该软件强大的动力计算功能,考虑海水的影响,采用流固耦合的算法分别对柱间距、结构刚度及尺寸比率对冰力及结构响应的影响进行分析,得出一些有益的结论,为工程施工和设计提供依据。4.将研究结果运用于工程实践,研究了冻融损伤混凝土桥梁下部结构在不同服役期内的冰激响应以青岛海湾大桥为工程背景,选取了两种最不利的结构类型,考虑了下部混凝土承台结构的冻融破坏的影响,采用多材料耦合的冰内聚力模型,分别建立了冰与结构相互作用的有限元模型。针对青岛海湾大桥的运营环境,选用了12种不利工况组合,考虑海水的作用,采用流固耦合算法,分别对不同服役期内不同工况下冰与结构相互作用进行数值模拟。结果表明：混凝土在冻融破坏作用下力学性能不断衰退,结构刚度下降,造成冰力峰值增加,位移最大偏移量增加,且在高设计水位工况下,最大位移偏移量增加的较快。结构位移加速度极值也随着服役期的延长逐渐变大。说明随着结构服役期的延长,在相同外力作用下会产生较大的偏移量,更容易产生冰激振动,冰激振动的位移加速度会变大。因此,为保证跨海大桥的安全性,随着服役期的延长,必须更加重视冰激振动可能带来的严重后果。
关宏波[6]2006年在《锥体结构冰激振动与隔振锥体设计》文中认为海洋平台结构是海洋石油天然气资源开发的基础性设施,在生产作业中长期处于恶劣的海洋环境中。随着海上油气资源的开发,冰激振动对海洋平台的威胁越来越大。合理的设计抗冰振的新型海洋平台和采取措施对海洋平台冰激振动进行控制己经成为当前急需解决的问题。降低平台的冰致振动响应大致有叁个途径:一是提高平台结构的总体刚度,这样做显然会使平台加重而不满足经济性要求;二是对平台结构的冰致振动进行主动控制,但是此种方案在恶劣的海洋环境中很难实施并且不会降低海洋平台的总体成本;叁是对平台结构进行减振和隔振控制,相对来说,此种方案是行之有效并且经济实用的。本文的研究工作就是建立在隔振技术基础之上的。 本文首先简单对海洋平台加固定锥后冰激特点进行了概述,并引入冰力函数的概念,从冰力函数的特点来看,它是窄带的随机过程,可以看成冲击载荷。结合冲击隔振的理论,我们就可以把固定锥体设计具有隔离振源的隔振锥体了。隔振锥体的设计包括刚度和阻尼两方面的问题。选择合理的刚度和阻尼就能使平台的响应明显的降低。通过MATLAB对海洋平台锥体隔振的力学模型和用ANSYS对DCP平台进行数值仿真,得到相同的结果,即:锥体的固有频率远离平台固有频率时,减振效果是最好的,但同时还要考虑锥体允许的最大位移情况。在众多的隔振器中,我们选择了迭层橡胶支座作为锥体隔振的隔振元件。因为迭层橡胶支座因其承载力大,水平刚度适中很适合用在锥体隔振上面。同时橡胶经防腐处理其耐久性和防腐能力也很高。
参考文献：
[1]. 冰载荷的识别及冰激振动的实验与数值模拟[D]. 张运良. 大连理工大学. 2002
[2]. 冰激桥墩振动模型试验研究及冰荷载的识别[D]. 齐念. 大连理工大学. 2009
[3]. 基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析[D]. 屈衍. 大连理工大学. 2006
[4]. 高速列车转向架构架结构损伤一致性载荷谱理论研究[D]. 朱宁. 北京交通大学. 2016
[5]. 海冰影响冻融损伤的桥梁结构安全的机理及应用研究[D]. 刘玉萍. 山东大学. 2012
[6]. 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计[D]. 关宏波. 大连理工大学. 2006
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