动态损伤特性

动态损伤特性（精选7篇）

动态损伤特性 篇1

0引言

自从Dougill[1]首次将损伤力学引入混凝土性能的研究以来, 许多学者在混凝土损伤本构、累积损伤等方面取得了一定的成果, 建立了多种混凝土损伤模型和损伤演化方程[2-5], 研究成果主要集中在静载状态下, 对于历经荷载历史后的混凝土动态损伤力学特性的研究甚少。近年来, 损伤力学在混凝土力学研究中得到广泛应用, 混凝土动态损伤特性[6，7]的研究逐渐成为一个热点问题。损伤的存在和发展, 对混凝土的各种特性如强度、弹性模量等产生了重要影响, 因此对这些特性进行研究有助于更加深入地认识混凝土的性质和其在实际工程中的应用。鉴于此, 在应变速率10-5~10-3/s范围内, 对历经了0%、40%、60%、75%、85%极限抗压强度荷载历史后的普通混凝土试件进行了单轴动态抗压试验, 采用改进的统计模型研究了不同单调荷载历史和不同应变速率下混凝土物理力学参数及损伤特性, 为混凝土力学性能、损伤特性和动态损伤本构的研究及工程设计提供合理的理论基础。

1试验过程

1.1试验设备

本试验采用三峡大学和长春市朝阳试验仪器有限公司联合研制生产的10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪, 该系统是由3个独立的油缸来施加3个相互垂直方向的荷载, 竖向最大出力:动力5 000kN, 静力10 000kN;侧面水平向最大出力:双向5 000kN。轴向变形测量范围0~10mm, 径向变形测量范围0~5mm;位移测量范围0~100mm。在加载应变速率为10-6~10-2/s范围内具有良好的工作性能, 能较好满足本次试验的要求。

1.2试件制备及养护

混凝土试件采用150 mm×300 mm的标准圆 柱体试件。水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥, 拌合用水为饮用水, 粗骨料为二级配的连续级配的碎石;砂的细度模数为1.8。依据 《普通混凝土配合比设计规程》 (JGJ55-2000) , 确定后的混凝土配合比详见表1。

kg/m3

将浇筑的试件置于标准养护条件下 (温度为20±3 ℃, 湿度95%以上) , 养护28d, 其后在自然条件下养护。为了保证试件平整度, 试验前对试件端部表面进行磨平处理。

1.3加载方案

试验加载过程分为3步:第1步对试件进行单调加载至预先设定的幅值 (0、0.4 fc、0.6 fc、0.75 fc、0.85 fc) , 其中fc为混凝土极限抗压强度, 加载速率为0.5 MPa/s;第2步按照相同的速率 (0.5 MPa/s) 卸载到10kN;第3步对卸载后的混凝土试件进行一次性静动态单轴压缩试验, 直到试件破坏。在整个加载过程中, 第1步和第2步采用荷载控制, 第3步采用变形控制。

2应力~应变曲线对比分析

经历不同单调加载历史后的混凝土在不同应变速率下的应力~应变拟合曲线如图1~图3所示。图1~图3中, ls表示荷载历史, 0、40、60、75和85表示分别对应0%、40%、60%、 75%和85% 的极限抗压强度, a、b和c分别对应应变速率为10-5、10-4和10-3/s。

对比图1~图3可看出, 随着加载速率的提高, 混凝土峰值应力及弹性模量相应提高;在相同应变速率的情况下, 混凝土峰值应力随加载历史的增加而降低, 混凝土的峰值应变随加载历史的增加而减少, 弹性模量随加载历史的增加表现出先增加后减小的趋势, 当加载历史为0.6 fc时达到最大;当经历不同加载历史0、0.4 fc、0.6 fc、0.75 fc、0.85 fc后, 当曲线越过峰值点进入下降段时, 加载历史超过0.6 fc时混凝土强度下降显著, 尤其是在经历85%的单调加载历史后, 曲线斜率变化最大, 混凝土残余强度降低很快。

3单调加载历史损伤特性分析

3.1混凝土损伤本构模型的选取

法国著名学者Lemaitre提出了应变等价原理[8], 受损材料的应变本构关系可以从无损材料的本构方程来导出, 只要用受损后的有效应力来代替无损本构关系中的名义应力即可。根据这一原理, 在损伤后的应力应变与关系式中引入损伤变量D得到:

基于Weibull统计分布理论和等效应变假定原理, 王春来[4]等推导出基于钢纤维混凝土单轴受压状态下的损伤本构模型。但是当混凝土强度超过一定值时Weibull统计分布理论则不能准确描述峰值应变后的应力~应变关系, 需对其损伤本构模型进行了修正。而对应力~应变曲线的下降段采用Log- normal统计分布规律进行描述能比较准确地反映混凝土损伤过程。

改进后的统计分布损伤本构模型[7]为:

其中上升段的形状参数m为:

下降段的形状参数c需要通过拟合得到。

将式 (3) 代入式 (2) , 得损伤变量D为 :

式中:εpk、σpk和E分别为峰荷应变值、应力和弹性模量;m、c为形状参数。

3.2损伤本构模型的参数分析

改进后的Weibull统计分布损伤本构模型中主要参数为m、c。m为峰值应变以前的形状控制参数, c为峰值应变以后的形状控制参数。不同单调加载历史和应变速率下的m和c值见表2。

分析表2可以看出, 在相同应变速率情况下, 参数m、c符合线性变化规律, 可采用如下的公式来表达:

式中:k1、k2为线性拟合系数;σ0为单调荷载历史的幅值;fc为无荷载历史的极限强压强度。

运用最小二乘法对表2中的数据进行拟合, k1、k2的值如表3所示。

3.3损伤变量分析

运用选取的损伤本构模型, 对损伤变量D进行计算, 得出经历不同加载历史的混凝土受压损伤变量D与应变ε 之间的关系。

由图4~6可以看出, 不同单调加载历史在应变速率10-5/ s、10-4/s、10-3/s下损伤变量与应变曲线形状大致相似。混凝土的损伤过程大致经历了3个阶段:第1个阶段, 损伤未发展阶段, 此阶段新的损伤没有生成或者损伤很小;第2个阶段, 损伤稳定发展阶段, 此阶段混凝土的损伤随着压应力的增加稳定增加;第3个阶段, 损伤不稳定发展阶段, 此阶段损伤随着压应力的增加迅速发展, 直至破坏。在相同应变速率下, 当应变小于2.25×10-3时, 在经历60%的单调加载历史后, 混凝土损伤变量最大;当应变大于2.25×10-3时, 经历85%的单调加载历史后, 其损伤变量明显增大, 这说明单调加载历史对混凝土的影响存在一个槛值, 大于槛值时的单调加载历史幅值才对混凝土的力学性能产生明显的影响。

4结论

(1) 在相同加载历史情况下, 随着应变速率的提高混凝土的峰值应力及弹性模量明显增加, 但是混凝土的峰值应变对加载速率并不敏感, 整体上峰值应变随加载速率的提高略有增加;在相同应变速率的情况下, 混凝土峰值应力随加载历史的增加而降低, 混凝土的峰值应变随加载历史的增加而减少。

(2) 在相同应变速率情况下, 经历不同单调加载历史后的混凝土受压应力~应变曲线发生了明显的变化。尤其是经历85%的单调加载历史后, 曲线斜率变化较大, 混凝土残余强度降低显著。

(3) 不同单调加载历史在应变速率10-5/s、10-4/s、10-3/s下, 混凝土的损伤过程大致经历了3个阶段:损伤未发展阶段、 损伤稳定发展阶段和损伤不稳定发展阶段。

(4) 混凝土存在损伤槛值, 加载载历史低于这个槛值时, 荷载历史对混凝土强度影响较小, 但是加载历史高于这个槛值时, 混凝土损伤变量随应变速率的提高而增加, 抗压极限强度明显降低。

摘要：研究了历经不同单调荷载历史后混凝土试件在不同应变速率 (10-5/s、10-4/s、10-3/s) 下的动态单轴受压试验, 对比分析了混凝土应力应变全曲线, 并采用改进后的Weibull统计模型分析了单轴受压损伤特性。试验结果表明:在相同荷载历史下, 随着应变速率的提高, 混凝土峰值应力及弹性模量明显增加, 峰值应变变化不明显;在相同的应变速率下混凝土峰值应力、峰值应变和弹性模量随荷载历史幅值的增加而降低, 历经85%的单调荷载历史幅值后, 混凝土残余强度降低显著;当单调荷载历史低于某一槛值时, 荷载历史对混凝土强度影响较小, 但是加载历史高于某一槛值时, 混凝土损伤变量随应变速率的提高而增加, 混凝土极限抗压强度明显降低。

关键词：混凝土,单调荷载历史,应变速率,动态损伤特性

参考文献

[1]DOUGILL J W.Mechanics in Engineering[J].ASCE, EMD, 1976, 102:333-335.

[2]尹双增.断裂·损伤理论及应用[M].北京:清华大学出版社, 1992.

[3]钱济成, 周建方.混凝土的两种损伤模型及其应用[J].河海大学学报, 1989, (3) :40-47.

[4]王春来, 徐必根, 李庶林, 等.单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究[J].岩石力学, 2006, 27 (1) :151-154.

[5]吴建营, 李杰.考虑应变速率效应的混凝土动力弹塑性损伤本构模型[J].同济大学学报, 2006, 34 (11) :1 427-1 430.

[6]肖诗云, 张剑.荷载历史对混凝土动态受压损伤特性影响试验研究[J].水利学报, 2010, 41 (8) :943-952.

[7]王乾峰.钢纤维混凝土动态损伤特性研究[D].湖北宜昌:三峡大学, 2009-06.

[8]Lemaitere J.Local approach of fracture[J].Engineering Fracture Mechanics, 1986, 25 (5/6) :523-537.

动态损伤特性 篇2

1 桥梁损伤诊断方法

桥梁结构损伤诊断可分为3个步骤:

1)判断桥梁结构是否发生损伤;2)进行桥梁损伤定位;3)诊断桥梁的损伤程度。

1.1 桥梁探伤[4]

桥梁探伤主要是判断整个桥梁结构是否存在损伤。大量文献资料表明,固有频率是最好的表征结构整体状态的宏观标识量。考虑到现场环境下的测量噪声与误差会影响整体性能的检测,而人工神经网络具有很强的非线性映射能力,能够滤出噪声或在有噪声情况下正确识别。因此,本研究引入人工神经网络进行桥梁探伤。

在训练阶段,选择桥梁的固有频率作为网络的输入向量,并定义包括固有频度的输出向量,然后将样本集送入神经网络进行训练。网络训练完成后,比较桥梁健康状态和损伤状态的输出向量,建立异常指标,作为诊断桥梁是否存在损伤的依据。

1.2 损伤定位

在确定桥梁存在损伤之后,采用桥梁结构损伤前后的振型曲率差来诊断损伤的位置。桥梁结构的曲率模态通过差分法计算[5]:

其中,C(i)j,F(i)j分别为结构的曲率模态和位移模态,i为测点位置,j为模态阶次;d为相邻两截面的距离。

1.3 定量损伤程度

确定损伤位置后,再结合人工神经网络对桥梁的损伤程度进行定量。采用BP神经网络,以损伤区域的振型曲率作为网络输入,定义构件的损伤量作为输出,直接定量桥梁的损伤程度。

2 实例分析

本文以襄荆高速公路上一简支梁桥为算例,对上述的损伤诊断方法进行验证。该桥梁全长637.06 m,上部结构为(21×30)m预应力梁,每跨双向车道由12根T形梁组成,桥梁的第4,5跨的立面及截面(单向车道)如图1所示。考虑对称性,本文运用大型有限元软件ANSYS对该桥第5跨的单向车道建立了三维有限元模型,如图2所示。该模型根据实测动静载实验结果进行了校正,保证其能够准确地反映实际结构的动力特性。为方便损伤定位,沿桥轴方向利用节点处的33个截面将桥面分为32个区域,如图3所示。

在本研究中,桥梁损伤是通过降低单元的刚度来模拟,产生如表1所示的损伤工况。在以下的损伤诊断中,主要考虑桥梁的竖向弯曲模态。

为模拟实测数据,在有限元分析的模态参数基础上加一个随机数:

其中,y为模拟实测的动力参数;ya为有限元值;ε为噪声程度指标;r为正态分布随机数。

本文选用前8阶固有频率来对该桥进行探伤,建立了8-5-8的BP网络结构。训练网络的样本集采用桥梁健康模式样本产生的500组数据,而检验网络采用每种损伤工况产生的500组的检验样本,探伤结果如图4所示。从图4可以看出,损伤工况的异常指标明显偏离健康异常指标,可见,该方法能准确诊断结构是否存在损伤。

损伤定位选用前5阶竖向弯曲振型进行计算。考虑到前5阶6根梁的振型在同阶模态几乎相同,故选取沿桥轴方向中间33个节点计算各工况的曲率差,如图5所示。从图5可以看出,曲率模态差曲线上数值出现突变的位置正好对应工况的损伤位置,对于多区域损伤的工况4,利用该方法也能正确对待识别出来。

最后阶段是在损伤区段中找出损伤构件,并评估它的构件程度。本研究建立了5-8- 6的BP网络结构结构,输入为前5阶损伤区段的曲率,输出为损伤区段6段梁的损伤程度。

利用有限元模型分别模拟损伤区域中的单元发生8种损伤程度,即10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,每种损伤程度按式(2)产生100个数据组。因为每根梁均有可能发生损伤,故一共要产生100×8×6个训练样本。将训练好的网络检测表1中的损伤工况,结果如图6所示。从图6可以看出,如果损伤区域只是单个构件出现损伤,其识别效果很满意。对于多个构件同时出现损伤的情况(工况3)产生了误判情况,但真正损伤的构件被诊断的结果偏安全。

3 结语

对于复杂的桥梁结构来说,直接识别具体的损伤情况是十分困难的。基于桥梁结构中对损伤敏感的动力参数,结合人工神经网络的多步损伤诊断方法将大大提高识别效果。作者利用ANSYS程序对实际工程中的某一简支梁桥进行了模拟损伤诊断分析,验证了该方法的有效性。值得注意的是,要提高该技术在实际工程中的诊断效果,必须要解决桥梁结构动力参数的精度问题。

摘要：基于桥梁结构的动力特性,结合人工神经网络,探讨了分步进行探伤、定位和量估的桥梁损伤诊断方法,以襄荆高速公路某一简支梁桥为算例,采用ANSYS程序建立了三维有限元模型进行模拟损伤分析,验证了所述方法的可行性。

关键词：损伤诊断,人工神经网络,固有频率,曲率,桥梁

参考文献

[1]Balageas V.D.,Fritzen C.P.,Guemes A..Structural HealthMonitoring[M].France:Iste Publishing Company,2006.

[2]王开凤,张谢东.土木工程结构损伤识别研究[J].公路,2008(1):154-159.

[3]李宏男,高东伟,伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展,2008,32(2):151-166.

[4]刘沐宇,谢建和.钢管混凝土拱桥的模拟损伤动力诊断分析[J].武汉理工大学学报,2005,27(8):38-41.

高压电器设备动态特性解析 篇3

一、电力系统高压电器设备选择标准

根据高压电器设备元件分析图进行多次试验，筛选出以下几点对高压电器设备影响较大的选择条件，虽然不同高压电气设备性能也不尽相同，这为高压电器设备选择条件带来一定难度。

二、高压电器设备常见故障原因分析

1. 高压电器设备常见故障起因

高压电器设备一旦出现了故障，就会为要求日益严格甚至苛求的电力工程带来使用方面的重要影响，为此我们需要对引起高压电器故障的原因进行分析。经过大量资料查证与实验，我们发现高压电气设备高压故障起因很多，不仅仅有常见的电流电压负载、高压电器设备电缆绝缘性能减弱、发生电流电压的超载产生击穿导致设备线路短路;还会发生高压电器控制管理的电源电压异常减弱、设备内部元件的不正常运作;甚至也可能由于高压电器设备控制回路电器老化损坏、性能下降、保护失准、误动作;控制分路受潮、破损、老化击穿短路等。

2. 高压电器设备故障应急处理措施

当高压电器设备出现故障时，高压电器设备内置的控制回路可以让设备中安置的断路器进行快速、准确的跳闸操作，从而缩小故障范围将电源进行切断操作;当发现了电力系统现场设备检修专员当发现高压电器设备自动跳闸后需要及时制定出科学合理的设备修护方案。首先我们要分析高压电器设备跳闸原因是故障引起的还是误动作引起的，之后马上打开隔离开关检测高压电器设备受损情况，其间需要注意检测以下几点内容。包括设备电缆电线的绝缘值、设备断路器开关触头的电阻数值，还要用电阻表进行设备开关的检测，注意查看设备断路器、设备内置回路元件运动正常与否，从而判断高压电器设备故障类别以及故障造成的损害程度，最后及时记录并将高压电器设备故障进行通报，然后由专员进行相应类别故障修复。如果必要也可以更换设备处理以解除故障。

三、高压电气设备动态特性分析

为了更好地保障高压电力设备被电力系统利用，我们在高压电器设备故障起因与常见故障解决分析基础上进行设备的动态分析，通过分析我们依据高压电气设备结构特点以及要求，根据以下原则构建高压电器设备力学模型(如下图2、图3、图4所示)：(1)通过查找资料对典型高压电器设备模型进行简化，我们需要进行利用悬臂多质点甚至质量——弹簧体系为构建基础的单柱式、多柱式乃至带拉线式;同时利用多质点弹簧作为主要元件进行高压电气设备管型母线甚至高压电器设备大电流结构封闭的母线等形式的长跨结构的高压电气;简化变压器瓷套管结构的悬臂多质点高压电器。(2)考虑高压电器设备法兰连接元件的物理弯曲刚度性质。(3)在高压电器设备动态监控系统计算中计入元件与线路的减震阻尼剪切物理刚度性质参数、材料弯曲刚度以及设备阻尼比进行故障情况计算。(4)通过实验我们对高压电器设备动态分析，结合可以弥补高压电器设备元件共振弊端的避雷器装置和一定高度重量限值的绝缘性能的支柱缘子，甚至一定标准的设备内置断路器进行动态计算分析。

除此之外，在实验过程中我们还总结以下两点试验要点。(1)切合实际选择柔性节点进行高压电器设备计算模型，同时一定注意计入设备瓷套管相互间物理转动刚度，乃至高压电器设备与设备支架间进行连接构筑的物理转动刚度。(2)选择一到十赫兹的高压电气固有频率，同时注意由于设备元件抗震效果不佳，当发生地震时会因为自身设备元件频率越接近地震波卓越频率就越容易发生类共振，所以我们对高压电器设备进行隔震、减震、抗震的加固处理是十分必要的。

四、结论

本文从高压电器设备故障原因以及类型进行入手分析，并以此为契机进行高压电器设备动态分析，希望本文的简要论述可以为广大读者在高压电器设备动态研究方面带来一定借鉴价值。

摘要：飞速前行的经济,使得电力系统中高压电器设备的使用越来越频繁,为了更好地避免高压电器设备出现故障带给电力设备一定安全隐患问题,我们有必要仔细分析高压电器设备故障原因以及类型,并有针对性地进行深度的高压电器设备动态特性解析。

关键词：高压电气设备,动态特性,解析

参考文献

[1]孙宝钦.电力设备状态检修策略及其实际应用[J].吉林化工学院学报,2007(01).

[2]蒋策.电力设备传统检修的弊端与状态检修方式应用[J].中国高新技术企业,2007(10).

电梯机械系统的动态特性研究 篇4

随着高层建筑的涌现, 电梯在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。其中高速电梯的迅猛发展对电梯动态性能提出了越来越高的要求。如何提高乘坐电梯的舒适性, 是每一个电梯乘坐者及电梯生产商关心的问题。提高电梯的舒适性, 首要的任务便是对系统动态特性的优化, 而灵敏度分析则是动态优化的前提准备。

二、电梯机械系统动力学模型的建立

电梯传动方式属曳引式传动, 根据电梯的传动原理, 可将曳引比为1∶1的电梯简化为图1所示的7自由度力学模型。其中φ1、φ2-曳引轮和张紧轮的角位移, m1-平衡重质量, m2、I1、r1-曳引轮、导向轮及传动部分的等效质量、转动惯量及曳引轮绳槽半径, m3-电梯轿架及附件质量, m4-轿厢及电梯载荷质量, m5、I2、r2-张紧轮质量、转动惯量及绳槽半径, k0、c0-承重梁及减震垫的刚度、阻尼, k1、c1、k2、c2-曳引轮两侧曳引绳及绳头组合的等效刚度和阻尼, k3、c3、k5、c5-张紧轮两侧张紧绳及绳头组合的等效刚度和阻尼, k4、c4-超载橡胶的刚度和阻尼, km-曳引机系统的等效刚度。

三、电梯系统振动微分方程的建立

系统的广义坐标分别为各质点的位移xi以及曳引轮和张紧轮的转角φ1、φ2, 可用向量表示为X=[X1, X2, X3, X4, X5, φ1, φ2]T

根据拉格朗日第二类方程推导系统的振动微分方程组, 系统的振动方程可通过动能T、位能 (势能) V、能量散失函数D来表示。即

Qi为系统的外部激振力 (干扰力) 。得到系统运动微分方程:

式中:[M]、[C]、[K]分别表示系统的质量、刚度和阻尼矩阵;[Q]表示激励阵[1]。

根据某电梯厂提供的电梯参数, 如表1所示。

运用广义特征值法可以求出电梯的固有频率, 如表2所示。

四、电梯参数灵敏度分析

在电梯的工程减振问题中, 如果曳引电动机的转动频率与电梯系统的某一阶固有频率一致或接近的话, 电梯将会发生共振现象。因此, 研究电梯的结构参数对固有频率的灵敏度是改变固有频率以避开曳引电动机旋转频率的前提基础。电梯结构参数灵敏度定义为:电梯参数的变化引起电梯振动的固有频率的变化, 参数在某一定值附近的小范围内变化时, 固有频率变化的大小与参数变化的大小的比值称为灵敏度。在工程实践中, 可以假设参数与频率都是连续可微的, 因此灵敏度就可以用偏导数aω/as来表示。其中ω为电梯振动的固有频率, s为电梯参数。

因为刚度系数在小范围内变化, 可假设质量矩阵与刚度矩阵的变化不大, 从而特征向量可认为近似不变。如果设ANi为该定点处对应的系统矩阵在i阶固有频率ωi下的正则化了的特征向量, 则有:

令Bi=K-ωi2·M代入式 (3) 和 (4) 式得:

对式 (5) 两边对s求偏导数得:

由于ANi为正则化了的特征向量, 则有:

对于简单的多自由度系统, 振动理论已经证明了质量矩阵与刚度矩阵都是对称矩阵, 从而有系统矩阵Bi也是对称矩阵, 所以有:

代入式 (6) 可得:ANiT·a Bi/as·ANi=0 (9) 将Bi代入并展开得:

式 (10) 即为各个刚度系数对固有频率灵敏度的计算公式。电梯在运行过程中, 其质量矩阵可近似认为是不变的, 钢丝绳的刚度是随电梯运行到不同位置而发生变化, 电梯结构参数中刚度参数对电梯系统的动态特性影响比较大, 故本文主要研究电梯刚度参数对固有频率的灵敏度问题。根据刚度矩阵和质量矩阵和灵敏度计算公式, 可以计算得出以下各刚度参数的灵敏度值, 如表3。

通过动态响应曲线看出无论电梯的载荷与位置如何变化, 除了第四阶固有频率外, 其余各阶的加速度变化都比较小, 这是由于第四阶固有频率与曳引机的转动频率 (15.5Hz) 相近。电梯轿厢对电梯的第四阶固有频率值的变化比较敏感。下面以第四阶固有频率为例, 对各参数进行灵敏度的分析。

运用matlab语言编程计算, 画出第四阶固有频率的灵敏度曲线, 如图2所示。

运用matlab软件求解电梯的固有频率并且重点分析电梯刚度参数对第四阶固有频率的灵敏度。在以上计算的基础上, 得到以下几条结论:

1.从数值上分析, 固有频率相对于k1、k2、k3、k5、ks的参数灵敏度较大。

2.随着刚度的增加, k0、k4、ks这三个参数对于电梯垂直振动模型的固有频率的影响趋于不变, 且近似为0。

3.参数k1、k3、k5在低值段所对应的灵敏度值快速增加, 而在高值段灵敏度值在缓慢地下降。

4.参数k2、ks所对应的灵敏度值有下降的趋势并趋于稳定。

5.大多数参数低值时所对应的灵敏度值要高于高值时的灵敏度值。

由以上的分析可以看出, 要调节第四阶固有频率的值, 就必须特别重视k1、k2、k3、k5、ks在低值段时的变化。

五、结语

由于电梯的第四阶固有频率接近曳引电机的转动频率, 因此, 研究第四阶固有频率对电梯各个隔振环节刚度的灵敏度变化是电梯减振的必要理论依据。通过调整灵敏度比较高的刚度参数来改变电梯固有频率, 使之避开曳引电动机转动频率是电梯减振的一条有效途径。

参考文献

基于结合面的机床动态特性研究 篇5

机床的机械结构中,除了有床身、立柱、滑座、工作台、主轴箱和主轴等结构本体之外,还有螺栓联结、导轨联结、丝杠联结、轴承联结等结合面。结合面的刚度常常是机械结构整体刚度的重要组成部分,有时甚至成为整体刚度的薄弱环节[1]。许多研究表明:机床的静刚度中30%～50%决定于结合面的刚度特性;机床上出现的振动问题有60%以上源自结合面[2];机床的阻尼90%以上来源于结合面[3]。因此,在研究和解决机床结合面的动态特性尤为重要。

1 结合面的处理

1.1 固定结合面的处理

在机床结构中,固定结合面以螺栓联接结合面最为典型,于是,针对螺栓联接固定结合面提出结合面力学模型,如图1所示。由于结合面具有刚度和阻尼特性,因此,结合面可以用弹簧和阻尼器元件来模拟。在解析时,结合点选取的数目要根据结合面的状态及具体结构而定。选择多个结合点时,实际上是把结合面分割成多个子结合部,而每个子结合部仍用一个等效结合点来代替。所以一般用一个结合部为一个等效结合点(弹簧与阻尼器的组合)的情况来进行分析。

对于结合面单元而言,由于结合部两接触面上微凸体的质量是可以忽略的,在建立其动力学模型时,只考虑结合部的刚度和阻尼特性,其振动方程式为[4]:

(K+iωC)X=F (1)

式中:K——结合部刚度矩阵;

C——结合部阻尼矩阵;

X——结合部相对位移列阵;

F——结合部力列阵;

ω——系统的谐振频率。

因此确定结合部特性参数,就是要求出矩阵K和C[1]。

1.2 导轨与滑块结合面处理

机床导轨滑块结合面可以简化成一个单自由度系统,在竖直方向和水平方向均简化为一个弹簧-阻尼系统。根据模态理论识别出竖直方向和水平方向的刚度、阻尼系数。设一个单自由度系统对应的固有频率为f,滑块质量为M,接触面的刚度为K,根据机械振动理论有:

K=4M π2f2 (2)

对得到的传递函数采取分量分析法求接触面的刚度和阻尼。在固有频率附近,频响函数通过自己的极值,此时实部为零,而虚部幅值最大,出现极值的那个频率是系统固有频率ω,相应的阻尼比ζr采用半功率点法得到[5]。设ω1和ω2分别为半功率点对应的两个频率(ω1<ω<ω2),H(jω)为频响函数的虚部,C为阻尼,则:

$|{\rm H}(j\omega {}_1)|=|{\rm H}(j\omega {}_2)|=\frac{|{\rm H}(j\omega {}_r)|}{\sqrt{2}}(3)$

有:$\zeta {}_r=\frac{\omega {}_2-\omega {}_1}{2\omega {}_r}$

$C=2\zeta {}_r\sqrt{{\rm M}{\rm K}}$

2 实例分析

2.1 建模

高速五轴龙门加工中心是一个复杂的机械结构,在建模过程中,根据其结构特点,可以将整机分为立柱组件、滑座、传动系统组件、滑台、横梁、箱体、电主轴架、电主轴、电主轴套等,其整机的有限元模型如图2所示。

2.2 结合面的处理

对于立柱与地面、立柱与滑座、x轴直线导轨与滑台、y轴直线导轨与横梁、z轴直线导轨与箱体的接触面均采用螺栓固接,每个螺栓连接处用三个梁单元模拟;对于x,y,z方向上的导轨滑块结合面参数采用锤击激振实验法得到,导轨滑台之间用哑物体进行连接[6],实验结果如表1所示。

2.3 整机动态分析

对整机进行模态分析,图3为在1000N简谐力激励下机床刀具的振动响应曲线图,其中,虚线代表不考虑结合面的影响,结合面之间采用刚性联接;实线代表考虑结合面的影响,在结合面之间加入等效的动力学参数。从图3中可以看出,结合面对整机的影响表现在模态频率的降低和模态振型的衰减。模态振型的衰减是有利的,但模态频率的降低是不利的,会导致共振现象的发生,因此,在整机设计时,必须考虑结合面的影响。

3 结论

机床是一种复杂机械,除了结构本体之外,还包含有各种各样许许多多的结合面。结合面的动态特性是机床动态特性的重要组成部分。本文用实验测定和计算机模拟方法,对机床结合面的动态特性进行研究。这为机床整机结合部的非线性特性的合理处理提供了一种方法,从而为机床设计阶段的整机性能预测开辟了道路。

摘要：运用三维建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS,建立了虚拟样机模型。考虑结合面的影响,对机床进行了动态分析,研究结合面对于机械结构动态特性的影响,实现无物理样机环境下机床整体动力学性能预测和综合评价的目的。

关键词：机床,结合面,动态特性

参考文献

[1]赵宏林,丁庆新,曾鸣,等.机床结合部特性的理论解析及应用[J].机械工程学报,2008,(12):208-214.

[2]张学良,徐格宁,温淑花.机械结合面静动态特性研究回顾及展望[J].太原科技大学学报,2002,23(3):277-278.

[3]Huang Yumei,Fu Weiping,Tong Junxian.AMethod of AcquiringApplied Tangential Damping Parameters of Joint Surfaces[J].Journal of Xi’an University,1996,12(1):1-5.

[4]秦宝荣.机床结合面动态特性研究[J].制造技术与机床,1996(8):35-37.

[5]许丹,刘强.基于结合面建模的数控机床动力学联合仿真研究[J].机械设计与制造,2008(3):9-11.

浅议轮式作业井架动态特性 篇6

目前我国陆上石油修井作业所用的设备主要有履带式通井机、轮式作业机、修井机等, 其中轮式作业机具有越野性好、搬迁运移便捷、作业效率高、经济实用等优点, 是通井机发展的主要方向。

轮式作业机井架是油井进行修井作业时起下井的支架, 它在修井作业中, 特别是刚开始起钻和下钻时的突然刹车均会产生较大的冲击, 使井架承受较大的额外动载荷并产生剧烈振动。并且, 由于转盘的周期性激励, 井架也会产生不同形式和不同程度的共振。从而导致井架结构的破坏, 无法顺利进行修井作业1。

本文通过ANSYS建立井架的三维模型并进行受力分析来确定井架的承载力, 对其进行静力分析及静强度校核, 得出一些有工程实用价值的结果。并通过对不同条件下的井架进行井架的应力、变形、受压稳定性, 对井架进行优化设计。从而为井架的设计安全提供理论指导, 减少事故的发生。

1 井架结构动态承载能力测评技术

井架结构动态承载能力测评技术是一项挖掘结构设备潜力、节约生产成本并确保生产安全, 经济效益、社会效益十分明显的工程实用技术, 它也是一门多学科综合交叉的工程科学, 有不少理论问题和技术难点值得研究, 在石油生产部门中具有良好的发展前景, 因而合理的预报出井架的实际承载能力, 以成为石油井架安全评定理论研究的主要内容。主要方法有:实验室井架模型动态研究测试、实测频率为基础的动态判断及目前应用最多的计算机仿真模型计算。

2 动态分析

2.1 动态分析的基本概念

动态分析用来确定惯性 (质量效应) 和阻尼器重要作用时结构或构件的动力学特性。动态分析通常指下列几种物理现象:振动、冲击、交变作用力、地震载荷、随机振动等。按照运动方程的求解形式的不同, 在A N S Y S中动态分析主要有3中形式:模态分析、瞬时动态分析、谐波响应分析2。

模态分析可以确定一个结构或机构的固有频率和振型。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术, 这些振动特性包括:固有频率、振型、振型参与系数 (即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动) 等。模态分析假定结构是线性的。任何非线性特性 (如塑性单元) 即使定义了也将被忽略。模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语, 在ANSYS中模态提取的方法有6种:Subspace (子空间) 法、Block Lanczos法、Power Dynamics法、Reduced (缩减) 法、Unsymmetric (不对称) 法和Damped (阻尼) 法。使用何种模态提取方法取决于模块的大小和具体的应用场合。

瞬时动态分析是确定随时间变化荷载 (例如爆炸) 作用下结构响应的技术。瞬时动态分析可以应用在:承受冲击荷载的结构、承受随时间变化载荷的结构、承受撞击和颠簸的家庭和办公设备。ANSYS允许的瞬时动态分析包括各种类型的非线性, 如大变形、接触、塑性等。求解瞬时动态方程的结主要有两种方法:模态叠加法和直接积分法。

2.2 动态分析的应用价值

有限元法是一种解决工程问题的数值计算方法, 随着近几十年来电子计算机的飞速发展得到广泛的应用, 它的应用范围已从杆、梁类结构扩展到弹性力学平面问题、空间问题、板壳问题;由静力平衡问题扩展到动力问题、波动问题和稳定问题。分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、塑性、粘塑性及复合材料等;从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁场、建筑声学与噪音、地质力学及连续介质力学等各领域。在工程实际中的作用从分析与校核扩展到优化设计, 并与计算机辅助设计、计算机辅助生产等技术相结合。出现了许多大型商业有限元通用软件, 并且功能日趋强大且使用方便, 使有限元法的应用更加简单和普及3。

3 总结

本文通过采用大型通用有限元结构分析软件ANSYS, 综合考虑井架作业时的主要几种工况, 完成了对轮式作业机井架的静应力分析和结构的优化, 并在此基础上进行了动态特性分析, 得出了以下一些有工程参考价值的结论。

(1) 井架的最大位移在井架的顶部, 从上到下逐渐减小。

(2) 优化前井架的最大应力分布在井架大腿底部与地面固接处, 优化后井架上体正面横梁和中部的连接处应力也较大, 在设计时应考虑增加这部分的壁厚。

(3) 轮式作业机井架的模态分析结果表明:低阶振型反应了井架的整体振动形式, 在外界转盘激扰频率为1.7H z与3.61Hz的情况下, 应尽量的避免井架低阶的振动, 否则井架将会整体失稳。

(4) 对瞬时动态分析结果, 轮式作业机井架承载动态的冲击载荷变形前倾趋势明显, 同时伴有纵向位移, 左右方向不明显。对井架底部的固定约束, 上部井架结构前倾变形剧烈, 下部虽然各方向都有变形, 但只是微小的位移变形。而且从总体变形来看, 其主要承载结构为井架的前两根立柱。

(5) 井架的谐波响应分析结果与模态分析结果相同, 证明了从在井架的模态分析结果做出的防范措施的正确性。

参考文献

[1]尹永静, 杨汉立编著.石油修井机.石油工业出版社, 2003年10月.[1]尹永静, 杨汉立编著.石油修井机.石油工业出版社, 2003年10月.

[2]郭登明, 艾薇, 杨玫等.轮式通井机的现状与发展趋势.钻采工艺, 2003;26 (1) :53～56.[2]郭登明, 艾薇, 杨玫等.轮式通井机的现状与发展趋势.钻采工艺, 2003;26 (1) :53～56.

动态损伤特性 篇7

1 受压试验与结果

本文试验的试件尺寸采用150×300mm的圆柱体试件, 混凝土强度设计等级为C30, 试件的龄期为810d。与150mm立方体标准试件在相同的养护条件下, 在达到28d时以标准试验方法测得圆柱体试件的实测轴心抗压强度值41.3MPa。水泥采用宜昌花林水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥, 所采用的粗骨料为5~30mm连续级配的碎石, 属于二级配;细骨料为河沙, 连续级配, 经筛分试验测定后得其细度模数为1.8, 属于细沙;拌合用水采用饮用自来水。依据中华人民共和国行业标准《普通混凝土配合比设计规程》 (JGJ55-2000) , 确定后的混凝土配合比如表1所示。

kg/m3

试验设备采用长春市朝阳试验仪器厂生产的大型微机控制电液伺服多功能试验机, 动力0.5万kN, 静力1万kN;侧面水平向最大出力:双向0.5万kN试件在每个方向的位移都是由高精度电感式传感器测得, 测量精度能达到10-4mm;加载应变速率在10-6/s~10-2/s范围内。测得在不同应变速率及不同幅值下混凝土的峰值应力、峰值应变及弹性模量, 见表2 (其中fc为150×300mm圆柱体试件的单轴极限抗压强度) 。

2 混凝土损伤本构模型

2.1 混凝土损伤本构模型的选取

随着各个学科之间的相互促进与发展, 应用数学领域的统计学也逐渐被运用于混凝土的损伤理论分析。基于历经循环加载历史后混凝土在不同应变速率下应力~应变曲线特征, 对应力~应变曲线的下降段采用Lognormal统计分布规律进行描述。通过对Weibull统计分布损伤本构模型改造后建立的损伤本构模型为:

式中:εpk、σpk和E分别为峰荷应变值、峰值应力和弹性模量;m为上升段的形状参数;c为下降段的形状参数, 需通过拟合得到。

2.2 损伤本构模型的参数分析

采用修正后的损伤本构中主要有2个参数m和c。m为峰值应变以前的形状控制参数, c为峰值应变以后的形状控制参数。循环加载历史下不同应变速率的m和c值见表3。

2.3 循环加载历史后应力-应变全曲线分析

选取的混凝土损伤本构模型对循环加载历史的混凝土动态单轴压缩试验进行了拟合验证。经历不同循环加载历史后的混凝土在不同应变速率情况下, 利用公式 (1) 可以拟合得到其标志性的应力~应变全曲线, 见图1~图9。其中dfxh表示等幅循环加载历史, 0.1和0.2分别表示循环荷载的振幅大小分别为0.1 fc和0.2 fc, 0.5Hz和2.0Hz表示循环频率, a、b和c分别对应应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s。

3 循环加载历史后损伤特性分析

3.1 历经循环加载历史的损伤对比分析

根据Lemaitre提出的应变等价原理[8], 应力作用在受损材料上引起的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变等价。根据这一原理, 受损材料的本构关系可以通过无损材料中的名义应力得到:

即:

损伤变量D为:

通过选取的损伤本构模型得知, 对不同循环加载历史的混凝土损伤变量D进行了计算, 计算结果见图10~图15。

由图10~图15可以看出, 经历不同循环加载历史后, 在相同应变的情况下, 随着应变速率的提高, 混凝土的损伤变量值明显降低。同时, 由图13~图15可以看出, 经历不同频率的循环加载历史后, 在相同应变速率的情况下, 与无加载历史相比, 其损伤变量值明显增大, 这说明循环加载历史对混凝土造成了明显的初始损伤, 导致在进行后期的单轴压缩试验时, 混凝土内部损伤进一步发展, 从宏观角度表现为其强度劣化更明显。

3.2 循环加载历史损伤应变槛值分析

在应变空间下, 通过对不同加载历史和应变速率的D~ε曲线上升段进行求导分析发现, 当进行3次求导后存在最大值点, 即最大曲率点。本文定义:

式中:D为混凝土的损伤变量;ε为混凝土的应变;εk为损伤应变槛值, 表4给出了在不同频率和振幅的循环加载历史时的损伤应变槛值的统计值。

由表4和图16可以看出, 在相同应变速率和循环振幅情况下, 随着循环频率的增加, 其损伤应变槛值逐渐降低。经历A=0.1 fc、F=0.5Hz和A=0.1 fc、F=2.0Hz的循环加载历史后, 与未受荷载历史相比, 混凝土的损伤应变槛值在应变速率为10-5、10-4和10-3/s时分别降低了0%、12%、12.8%和6.7%、19%、19.7%。可以看出, 经历不同循环频率的加载历史后, 随着应变速率的提高, 混凝土的损伤应变槛值明显减小, 而且循环频率越大, 其减小的程度越明显。在文献[6]中肖诗云研究了历经30%和50%极限抗压强度的荷载历史后, 与未受荷载历史情况相比, 混凝土损伤应变槛值在应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s时分别降低了24.71%、32.55%、33.24%和45.98%、52.86%、58.18%。与本文研究的损伤应变槛值降低值不一样, 但是变化趋势是一致, 即混凝土损伤应变槛值随着荷载历史的增加而减小。

由表4和图17可以看出, 在相同循环振幅的加载历史下, 随着应变速率的提高, 其损伤应变槛值逐渐增大。经历无加载历史, A=0.1 fc、F=0.5Hz和A=0.1 fc、F=2.0Hz, 在应变速率为10-4、10-3/s时, 比准静态 (10-5/s) 增加了25.6%、33.0%, 9.4%、14.9%, 8.9%、14.3%。

由表4和图18可以看出, 在相同循环频率的加载历史下, 随着应变速率的提高, 其损伤应变槛值也呈增加的趋势。经历无加载历史, A=0.1 fc、F=0.5Hz和A=0.2 fc、F=0.5Hz, 在应变速率为10-4、10-3/s时, 比准静态 (10-5/s) 增加了25.6%、33.0%, 9.4%、14.9%, 9.2%、30.0%。

4 结语

(1) 本文对试验实测的应力~应变全曲线上升段和下降段, 分别采用Weibull统计分布与Lognormal统计分布来进行拟合对比, 发现修正后的Weibull统计损伤本构模型能较好得反映循环加载混凝土损伤特性全过程。

(2) 在相同循环加载历史的情况下, 随着应变速率的提高, 其损伤变量值明显降低。

(3) 在相同应变速率和循环振幅情况下, 随着循环频率的增加, 其损伤应变槛值逐渐降低。在相同循环振幅的加载历史下, 随着应变速率的提高, 其损伤应变槛值逐渐增大。在相同循环频率的加载历史下, 随着应变速率的提高其损伤应变槛值呈增加的趋势。

参考文献

[1]Hognestad E.Concrete stress distribution in ultimate strength design[J].ACI Materials Journal, 1955, (12) :455-479.

[2]Kent D C, Park R.Flexual members with confined concrete[J].ASCE, 1971, 97 (ST7) :1 969-1 990.

[3]Popvics S.A review of stress-strain relationships of concrete[J].ACI Materials Journal, 1970, (3) .

[4]Park R, Paulay T.Reinforced concrete structure[M].New York:Jonh Wiley&Sons, 1975.

[5]邓宗才.单轴状态下混凝土的静力、动力损伤本构模型[J].山东建材学院学报, 1999, 13 (4) :334-337.

[6]肖诗云, 张剑.荷载历史对混凝土动态受压损伤特性影响试验研究[J].水利学报, 2010, 41 (8) :943-952.

[7]Burlion N, Gatuingt F.Compaction and tensile damage in concrete:constitutive modeling and application to dynamics[J].Comput.Methods Appl.Mech.Engrg., 2000, 183:291-308.