复杂动力学（共8篇）
复杂动力学 篇1
“谣言是最古老的大众传播媒介”[1]。自从人类文明诞生以来, 作为一种社会现象, 谣言就在社会生活中扮演着特殊的角色, 历史可谓悠久。早在中国的春秋时代就有对谣言现象的记载, 管仲作歌振奋军心, 刘邦四面楚歌陷项羽于绝地, 近期的几场突发事件, 特别是新疆的“7·5”事件中谣言都发挥着重要作用。
所谓谣言, 是在社会中出现并流传的未经官方公开证实或者已经被官方所辟谣的信息。谣言可以作为一种特殊的舆论武器, 对人们的社会生活产生巨大影响。按照影响程度和作用对象划分, 谣言可分为个体谣言和社会谣言。个体谣言是指对某个不具备社会影响力的个人或个体事件所产生的谣言。而社会谣言则是关于社会的某个公共事务即有社会影响的社会的或自然的现象所产生的谣言。与个体谣言相比, 社会谣言具有传播范围广、影响力大、破坏力强且隐蔽性强等特点[2]。本文的谣言特指严重影响社会稳定的社会谣言。
进入信息时代, 社会谣言搭上了信息技术的快车, 影响力和破坏力与日俱增, 特别是西方敌对势力、台独、疆独等分裂势力、恐怖势力大肆传播谣言, 造成重大人员、财产损失, 谣言已经成为社会和谐稳定的一大隐患。因此, 为了提高社会抵御谣言的能力, 有必要深刻理解谣言的传播机理和规律, 建立相应的谣言防控体制, 保证社会的稳定和谐发展。
本文通过对复杂网络传播动力学的理论和应用概述, 以及对谣言传播网络特征的深入剖析, 探讨了传播动力学引入到社会谣言传播网络研究中的合理性, 最后, 展望了这一理论在复杂的社会谣言传播网络中的应用前景。
1、传播动力学的理论概述
复杂网络是指具有复杂拓扑结构和动力学行为的大规模网络, 它是由大量的节点通过边的相互连接而构成的图。例如, 英特网、生物网络、无线通讯网络、高速公路网、电力网络、流行病和谣言传播网络等都是复杂网络。
传播动力学的基本研究对象是动力学模型在不同网络上的性质与相应网络的静态统计性质的联系, 包括已知和未知的静态几何量。而像传染病、谣言的传播过程的研究不能像其他一些学科一样, 通过在人群中做实验的方式获得数据, 相关数据、资料只能从已有的报告和记录中获取, 而这些数据往往不够全面和充分, 很难根据这些数据准确地确定某些参数, 进行预报和控制工作。因此通过合理的网络模型产生数据并在此基础上进行理论和数值研究, 是当前传播动力学的重要方法。
一般而言, 谣言都被看作一种类似病毒的事物, 因此也常借鉴传染病传播模型研究谣言的传播。下面, 我们主要介绍谣言传播的理论模型和一般规律。
1.1 经典传播模型简介
目前研究最彻底、应用最广泛的传播模型是SIR模型和SIS模型[3,4]。SIR模型适合于染病者在治愈后可以获得终生免疫力, 或者染病者几乎不可避免走向死亡 (如艾滋病) 的情形。由于谣言一旦被识破, 人们自然会具有免疫力, 不再相信和传播, 因此本文着重介绍。
Sudbury最早借鉴SIR模型研究谣言的传播[5], 其中个体被划分为三类:S (易感个体) , I (染病个体) , R (免疫个体) 分别对应谣言传播过程中未听说过谣言的个体, 听说并传播谣言的个体, 听说但无兴趣传播或不相信谣言的个体。在实际传播中, 易感个体只有通过接触染病个体才能被传染, 把每个个体用一个节点代表, 两个个体可能接触就在两节点之间连一条边, 当一个易感节点的相邻节点是染病节点时, 谣言就会以一定概率感染易感节点。因此, 只要知道谣言传播网络的结构, 并根据结构求取部分变量, 就可以对社会谣言传播进行定量的分析、预测和控制。
除了上述SIR和SIS模型外, 针对不同谣言的特点, 还有其他相应的传播模型。比如, 对于免疫期有限 (可重复出现) 的谣言, 往往利用SIRS模型进行分析, 对于潜伏期不可忽略的谣言, 可以引入潜伏个体的概念。
经典的传播理论最重要的结论是[6]:存在大于零的传播强度临界值, 当实际强度大于临界值时, 谣言可以在网络中传播, 并持久存在;当实际强度小于临界值时, 谣言以指数速度消亡。由于谣言波及的范围 (患病个体数占人群总数的比例) 与传播强度正相关, 因此根据经典的传播理论, 谣言若是持久存在, 必然波及大量个体。
1.2 小世界网络和无标度网络的传播特性
前面介绍的传播动力学模型, 是根据数据统计建立的宏观模型, 没有考虑到微观机制。实际上, 不同个体间传染的几率往往有差异, 不同拓扑结构的社会网络中传播规律也不尽相同。下面简要介绍当前研究最深、应用最广的小世界网络和无标度网络的传播特性。
小世界网络研究发现, 相比规则网络, 它的传播阈值更小, 传播速度更快[7]。且即使谣言传播概率p很小 (p=0.01) , 谣言也可以长期存在, 只是染病比例很小且波动不大, 可以近似地等于一个定值;而当p很大时, 染病比例会出现周期性的波动, 且随着p的增大, 波动的时间间隔也趋于相同[8]。
无标度网络的研究也发现, 无论传播强度多么小, 都不存在正的临界值, 谣言都能持久存在[9]。也就是说任意传播强度的谣言都会长期存在。而且, 谣言传播的动力学结构具有层次性[10], 一般先感染社会接触较多的个体, 然后是一般个体, 最后是社会接触较少的个体。考虑到不同亲疏、远近个体之间传播谣言的概率并不相同, 因此有人研究了含权无标度网络上的传播特性, 其中, 边权用来表示个体之间接触的频繁程度和亲密程度。研究发现, 边权对谣言传播有明显的影响:从谣言爆发开始, 有一段很短的时间, 谣言以较慢的速度传播, 然后迅速上升到一个很高的峰值, 继而以幂函数形式迅速下降[11]。
从上面的介绍可以看出, 复杂网络上谣言传播研究方兴未艾, 而且所得结果已经在很大程度上改变了我们对于谣言传播问题的看法, 并在对类似“7·5”事件中谣言的防控上发挥重要作用。
2、传播动力学在社会谣言传播研究中的应用
正如广大的社会学者实证研究的一样, 社会网络作为复杂网络, 具有复杂的社会结构、复杂的人员构成、复杂的影响因素, 其复杂程度超出了传统研究方法的处理范畴。所以, 运用复杂网络传播动力学理论进行社会谣言传播研究是其内在的必然性。同时, 传播动力学可以对谣言传播进行多层次分析, 在微观、宏观之间建立连接, 探寻不同类型的网络联结以错综复杂的方式交织而成、跨越不同分析层次的谣言传播结构, 促使人们看清特定社会联结模式中隐含的各种约束和机会。而且, 传播动力学可以将定量资料、定性资料、图表数据整合起来, 使分析更贴近数据, 更具现实感, 更加透彻和深入。因此, 将传播动力学理论和方法应用于谣言传播的结构及其特征的分析, 将对社会谣言防控体系的设计和运作规律的把握起着至关重要的作用。
本文尝试给出社会谣言传播网络研究的几个方向:
2.1 实证分析社会的拓扑结构
网络是各种动力学过程的基础, 网络的拓扑结构对动力学特征起着决定作用。因此必须首先对社会进行复杂网络的实证研究, 获得其拓扑结构, 分析相关参数和特性。
社会的实证研究就是调查研究广大社会个体之间的关系, 如朋友关系、上下级关系、竞争关系等, 构建基本框架, 以及这些关系上信息流动的方向和数量, 判定其服从的分布, 建立数学模型, 研究网络中尚未被发现的宏观性质, 进一步定义新的统计参数来度量这些性质, 为后续研究提供基础。
实证分析传统的数据收集方法包括调查问卷和口头采访等, 其优点是方便快捷, 数据处理方式方法成熟, 但数据量较小, 且集中在相对封闭的系统, 数据的可控性较差。现在, 随着社会通讯网络的建设, 可以使用数据库技术, 快速收集大量真实可靠的数据, 借助数据处理软件, 得出让人信服的结果。
2.2 建立更真实的社会谣言传播网络模型
经典传播模型研究较为成熟, 应用也最为广泛, 但是不能真实刻画谣言传播的过程, 如:传播者的数量及其分布、染病者的数量、传播方式、传播能力及免疫能力等重要参数, 其通用的假设存在两个缺点: (1) 均匀性。个体之间感染的几率是相等的, 例如对易感个体每一次谣言可能传播成功的概率都是一样的, 以及免疫个体听到再多谣言都无动于衷, 实际上都不符合现实。真实的情况是谣言对个体会产生类似三人成虎的累积效应; (2) 对称性。谣言的传播没有优先方向。这两个缺点都严重制约谣言传播的研究。因而, 我们需要着重考虑更为复杂但真实的网络拓扑属性, 如成团结构、具有地理性的网络结构、分层网络结构、有向网络以及加权网络等对谣言传播的影响。
现以加权网络为例, 简述社会谣言传播网络模型的建立过程。
目前, 关于对加权复杂网络的研究还比较少, 主要研究无加权网络, 把复杂的联系简化成两种可能:节点间有连接或者无连接。如果有连接则连接强度都为固定值1, 无连接则为0。但在很多实际网络中, 如朋友圈, 人与人之间的关系紧密程度是不同的, 即网络各个节点之间具有不同权值, 或者说相互作用的强度不同, 并根据关系的强弱关系, 对传播网络的边赋予不同的权重, 因此加权网络能对实际的谣言传播网络研究进行更真实和全面的描述。
这就需要优先解决两个问题: (1) 如何获取大量真实可信的复杂网络权值的数据和信息。比如, 人与人之间关系的紧密程度、谣言免疫力强弱的评估。 (2) 合理定义网络边的权重, 以及计算方法。并最终解决权重是怎么影响传播网络的性质、结构和网络防控等问题。
2.3 社会谣言传播网络的防控策略
上述研究的根本目的, 是研究如何通过对部分人采取预防措施, 有效地控制谣言大范围的传播, 或者在爆发之初就被控制在有限的范围内, 即谣言的防控策略。预警和控制是最重要的两种手段, 其中预警是指在谣言将爆发或爆发初期发出警告, 提醒易感人员采取各种手段, 避免与传染源接触, 这对早期防控很有帮助。预警就是合理评估谣言流行的现状, 如传染人数, 流行范围 (涉及多少部队) 等, 既不能忽略可能的危险, 又不能过度紧张, 从而造成不必要的恐慌。通常使用的控制手段主要有针对性教育和隔离, 但是对所有人进行教育并达到预定效果基本不现实, 而更不可能隔离所有人。因此, 如何以最小的代价, 对最少的人员进行教育或隔离, 就有效地控制谣言的传播, 成为研究谣言防控研究的一个重要问题。
研究表明, 无论谣言以何种速率传播, 随机免疫法虽然能够局部抑制, 但速度非常慢。同时社会作为无标度网络, 没有传播临界值, 意味着需要对所有人员进行教育才能最终控制谣言, 显然是不现实的。现在社会采用的广泛政治教育和宣传可视为随机免疫控制, 即使大量人员被免疫, 仍无法控制谣言的传播。所以随机免疫法在社会谣言控制中作用有限。
相比之下, 目标免疫法是一种比较有效的方法。选取社会接触多的中心人员进行免疫, 一旦这些人员被免疫, 则意味着它们所连的边可以从网络中去除, 从而大大简化了网络结构, 传播临界值要小得多。实证研究表明, 目标免疫法只要免疫很小一部分度大的节点就能完全阻断谣言的传播。但这种方法需要了解社会网络的大量信息, 至少需要对网络中各节点的度有较清楚的认识, 但是如何在庞大的社会网络中, 确定中心人物, 如何利用有限的社会资源, 达到最优的控制目标, 还需要继续研究。与之类似的还有“接触免疫”和“环状免疫”法。
在上述研究的基础上, 设计和建立社会谣言监管系统, 研究其系统结构和运行机制, 制订各种谣言的应急管理预案, 保证社会特别是面对突发事件时的民心稳定、社会安定, 提高我党的社会管理能力和效率, 更好地建设和谐社会。
3、结论
本文通过综述复杂网络传播动力学理论的研究和应用现状, 在此基础上, 分析了在社会谣言传播网络日益彰显的复杂性, 以及复杂网络传播动力学的独特优势。因此本文从实证分析网络拓扑结构、建立谣言传播模型和防控策略研究三方面给出了应用传播动力学解决社会谣言传播防控问题的一些方向。当然, 本文只是尝试性地对如何将传播动力学理论应用到社会谣言传播网络的研究中进行了分析, 而更为具体的研究方法和结果将留待进一步的深入探索。
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复杂动力学 篇2
复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲研究
对复杂载荷作用下圆柱壳的`弹塑性动力屈曲问题进行了研究.基于Hamilton变分原理导出圆柱壳的运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值算法求解动力方程组.结果表明,均匀径向外压对圆柱壳的轴向冲击的过程或冲击性态有较大的影响,并讨论了径向压力与轴向冲击载荷的幅值对结构临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷的影响.
作 者：刘理 刘土光 张涛 李天匀 作者单位：华中理工大学船舶与海洋工程系,湖北,武汉,430074 刊 名：爆炸与冲击 ISTIC EI PKU英文刊名：EXPLOSION AND SHOCK WAVES 年，卷(期)： 22(2) 分类号：O347.3 关键词：圆柱壳 复杂载荷 动力屈曲 动力失效复杂动力学 篇3
如图所示,是一般的被动隔振系统模型,机器通过r个隔振器安装在基础上,并受到多激振力的作用(其中机器和基础可以是刚性和非刚性的),在复杂的多扰动源、多维柔性耦合系统分析中,必须考虑机器、隔振器、基础三者之间的耦合作用。我们采用功率流的方法进行分析,其思路是,首先根据系统的动力学特性求出隔振支承点的速度和相应的力,然后由功率流定义式求出通过每一点的功率流,由于功率流的大小总是与结构参数密切相关,这样在求出通过每一隔振点的功率流即输入功率后,就可以判断隔振结构的性能优劣并进行相应的结构修改,从而达到隔振设计的目的。
本文以复杂非刚性被动隔振系统模型为原型,在其中融入主动控制方式,建立主、被动隔振方式统一的动力学描述,并引入频率平均功率流作为效果评价指标,为隔振分析、效果预测以及进一步的实现对复杂系统中传递功率流的综合控制建立理论基础。
1 被动与主动隔振系统的统一动力学模型
力学模型:
在传统的被动隔振元件上并联一个主动作动器,如图1所示。
其中隔振单元是由被动隔振器和主动作动器组成的,所以QA,QB(1),QB(2),QC,中都含有两个分量,即由被动隔振器变形所产生的力和主动作动器产生的控制力,因此有
其中,Fct和Fcb分别是作动器上下两端的控制力,是控制器通过传感器从每个支承两端获得反馈信号,并据此向作动器发出作动指令而形成的。PA,PB(1),PB(2)及PC则是被动隔振元件上传递力。
2 复杂隔振系统中的传递功率流及频率平均功率流
2.1 振动功率流基本原理及表达式
振动功率流理论现已为人们所逐渐熟悉,它实际上是功率流概念在振动分析领域的延伸。功率,或单位时间里所做的功,使每个人都熟知的概念。若记F(t)为作用于结构某点处的外力,而V(t)为该点处对F(t)所产生的速度响应,则输入结构的功率为P=F(t)V(t),它是时间t的函数。对于振动分析来说,平均功率流的概念更令人感兴趣,因为在一段时间内的平均功率,比某一时刻的瞬时功率更能反映外部激励注入结构的能量强度,这样,把按时间平均的功率称为振动功率流,即
这是功率流的基本定义式。
一般情况下,激振力F(t)具有简谐力的形式,此时响应V(t)亦为简谐函数,故可记为F=|F|ejωt,V=|V|ejω(t+φ),则式(9)右边可以积出,功率流被表述为激振频率ω的函数
或
F·与V·分别为F和V的共轭复函数。若犹记M为结构在F作用点处的导纳,则(11)式还可写作
若F(t)为一随机力,且其谱密度为GFF,其作用点处的响应速度的谱密度为GVV,力与速度的互谱密度为GFV,则可由式(9)得到输入结构的功率流谱密度(即单位频率的按时间平均的输入功率)
式(10)~(13)是单点激励下,由该点输入到结构的功率流的常用计算公式。如果同一结构上存在多个激励源,则由于功率流是标量,需要计算出每个激振力对该结构的功率流输入,然后将他们相加得到总功率流。对于通过某一节点的功率流,可将之视为一种强度,而将力看作是一种应力;总功率流则体现出外部扰动源的总体强度,因而是一个综合指标。
2.2 频率平均功率流
对于复杂隔振系统而言,传递功率流分析往往是必不可少的,因为仅以传递率或响应比为参考进行的隔振设计,并不一定能非常有效的控制结构的噪声传播。但是从最优设计的观点上看,仅仅停留在一般性的功率流方针计算分析也还是不够的,因为不能保证系统是最优的。鉴于从能量传输角度进行振动分析的科学性,对隔振系统中的传递功率流进行控制,以使通过支承系统输入到基础结构的功率流达到最小。
在激励FA(幅值和频率)已知的情况下,Po决定于功率流传递矩阵X的元素,而这些元素则由系统的各种结构参数和激振频率ω唯一确定。当ω在一定范围内变化时,Po是ω的连续函数,他在该频段内具有极大值,该极值仅与系统结构参数有关。因此,隔振系统的功率流控制问题归结为结构参数的优化问题,也就是针对已知的激励FA,设计最优的结构参数,以使Po在所关心的频段内,维持在最低水平上。这一问题的数学表述为
关于上式作如下说明
(1)P是功率流优化目标函数,可以根据具体的隔振要求,设计不同P函数表达式。作为一般性的讨论,可以令P等于所观察频段内Po的极大值或平均值,或两者的加权函数,即
(2)Hi(X)和Gj(X)分别为等式与不等式约束;
(3)X={x1,x2,…,xm}为待优化的结构参数变量,S是其取值空间;
(4)Ω={ω1,ω2,…ωn}为可独立变化的外部激励,是所关心的频带。
对于各种各样的隔振问题,以及各式各样的振动控制问题,都可归结为功率流控制问题。
3 小结
本文的主要内容是对复杂系统的动力学建模,用一个统一的模型概括了隔振理论中的刚性和非刚性基础问题,刚性与非刚性机器问题,单支承与多支承问题,对称与非对称系统问题,单机与多机组问题,单层与多层隔振问题,以及主动与被动控制方式问题,具有理论研究上的普遍意义。
本文的前半部分主要讨论了复杂隔振系统的动力学建模与求解,后半部分则是关于系统功率流传递函数的推导及功率流控制思想的论述。
摘要：本文的主要内容是对复杂系统的动力学建模,用一个统一的模型概括了隔振理论中的多种隔振问题,以及主动与被动控制方式问题,具有理论研究上的普遍意义;并引入频率平均功率流作为效果评价指标。
复杂动力学 篇4
有限元法作为一种经典的数学近似计算方法, 被广泛应用于包括动力学的工程结构力学分析。有限元法的插值函数取决于单元形状、节点类型和数目等, 而与频率无关, 需要通过细化网格来提高计算精度, 在计算高频问题时极大地增加了计算量。由Doyle[1,2]提出的谱元法可有效解决上述问题。
谱元法基于频域运动方程的解析解, 可得到结构的动力学刚度阵和频域响应精确解[1,2,3]。材料形状一致的连续结构可看作一个谱单元, 这降低了自由度数和计算成本, 提高了计算效率。很多学者采用谱元法分析了典型结构, 如复合材料层合梁[4]、含主动约束阻尼层的梁[5]、功能梯度梁[6]、锥形梁[7]、考虑剪切变形的层合梁[8]、杆系结构[9]、板[10]的振动问题。但考虑剪切变形的复杂刚架结构在动载荷作用下的动力学响应的谱元法研究工作还不多见。
笔者在前期研究工作中[11,12], 基于谱元法和Euler梁模型研究了刚架与铰接桁架在冲击载荷作用下的动力学响应特性。本文则基于Timoshenko梁模型, 采用谱元法建立了直杆和Timoshenko梁的动力学刚度阵, 利用有限元思想得到了刚架整体的动力学刚度阵。通过计算刚架的频域响应, 并与有限元结果比较, 验证了谱元法的有效性和精确性, 进一步讨论了不同梁模型和结构构型参数的变化对刚架动力学响应特性的影响。
1 刚架结构谱元法分析
本文研究的刚架结构示意及子结构如图1、图2所示。这种结构构型简单、稳定性好, 多作为大型支撑结构和其他复杂空间结构的基本构型。
1.1 杆单元
杆的纵向振动方程为
式中, E、ρ、u分别为弹性模量、体密度和纵向位移;x为杆纵向位置坐标;t为时间。
通过Fourier变换, 可以得到杆运动的波动解:
式中, U为位移谱分量;A1 (ω) 、A2 (ω) 为与频率ω有关的系数;i为虚数单位;k为纵波波数, ;L为杆长;U1、U2为节点位移谱分量。
考虑轴向力与位移的关系, 通过式 (3) 可以得到节点力与节点位移之间的关系:
式中, F1、F2为力谱分量;SR (ω) 为杆的动力刚度矩阵[1]。
1.2 Timoshenko梁单元
考虑梁结构的剪切变形与旋转惯性的影响, Timoshenko梁的横向运动方程为
式中, κ、G、A、I分别为梁的剪切形状系数、剪切模量、横截面积、惯性矩;v为横向位移;θ为横向转角。
通过Fourier变换, 采用波动方法, 可以得到梁的横向位移和转角的精确解:
式中, V (x, ω) 为梁横向位移谱分量;Θ (x, ω) 为转角谱分量。
相应的横向波数与幅值特征系数为
为方便描述, 令
代入节点位移和转角可得
式中, Nvi、Nθi分别为与频率相关的形函数, i=1, 2, 3, 4;V1、V2为梁节点横向位移谱分量;Θ1、Θ2为节点转角谱分量。
考虑Timoshenko梁模型的内力位移关系, 得到梁单元节点力和位移的关系:
式中, Q、M分别为剪力和弯矩的谱形式;SB (ω) 为梁单元动力学刚度矩阵, 是对称矩阵。
1.3 整体结构
得到杆和Timoshenko梁动力学刚度阵后, 通过节点的力与位移关系整合得到谱单元的动力学刚度阵, 利用与有限元刚度阵整合相同的方法, 得到整体结构在频域下的节点力和节点位移关系, 即整体动力学刚度矩阵S为
式 (17) 即为图1所示的刚架结构计算表达式, 其中, N为子结构的数目, 进而可分析其动力学特性。
2 算例
将具有3个子结构刚架 (N=3) 作为多跨刚架代表, 左端固支、右端自由, 考虑结构阻尼影响。横杆和竖杆为铝, 长L1=0.4m, 圆截面外径D1=20 mm, 内径d1=12 mm, 密度ρ1=2700kg/m3, 弹性模量E1=70 (1+iη) GPa, 泊松比ν1=0.33, 截面形状系数κ1=10/9。斜杆为钢, 圆截面直径D2=4mm, 密度ρ2=7850kg/m3, 弹性模量E2=206 (1+iη) GPa, 泊松比ν2=0.3, 截面形状系数κ2=2。损耗因子η取0.001, 动载荷作用右上侧节点上, 与x方向夹角为-60°, 载荷为简谐激励和矩形脉冲激励, 分析点为下侧中间杆件中点M (0.6m, -0.2m) 。
图3所示为分别采用谱元法和有限元法计算的简谐激励 (激励幅值为1N) 下结构的频域响应。对于谱元法, 结构划分为15个单元;对于有限元法, 结构分别划分为1500个单元和3000个单元。有限元法与谱元法相比, 计算结果误差随频率增大而增大, 由于有限元计算高频振动时, 需划分更多单元才能保证足够的精确度, 而谱元法给出了结构全频域精确表达式, 因此, 谱元法高频段分析结果更准确。同台计算机计算过程中, 1500个单元、3000个单元的有限元法耗时分别为2845s和4082s, 而谱元法只需359s。这表明, 谱元法可准确计算分析刚架结构动力学特性, 且计算效率明显优于有限元方法。
图4~图6、表1中的动载荷为矩形脉冲激励 (幅值为1000N, 持续时间为1ms, 方向与前面一致) 。刚架分别采用Timoshenko梁模型和Euler梁模型, 图4和图5比较了采用这两种梁模型计算所得的位移频域响应。
Hz
从图4看到, 低频处, Timoshenko梁模型和Euler梁模型结果吻合得很好。随着频率增大, 两种结果差别越来越大;前者计算的固有频率要小于后者计算的固有频率, 是因为Timoshenko梁模型考虑了横向剪切变形的影响, 而Euler梁模型未考虑剪切变形, 横向剪切刚度可看做无穷大。剪切变形对结构中高频响应影响较低频响应影响大, 因此, Euler梁模型适合分析刚架结构的低频振动问题, Timoshenko梁模型适合分析中高频振动问题, 且其计算结果更接近于结构真实的固有频率。
图5中, 刚架杆件直径参数D1=40mm, d1=24mm, D2=8mm, 其他参数保持不变。刚架直径扩大一倍, Timoshenko梁模型的结果在更低频率处就出现很大差别。因此, 刚架结构的高频或全频域振动问题分析, 采用Timoshenko梁模型更为合适。
图6所示为不同构型与不同参数下刚架结构M点横向位移的频域曲线, 表1所示为相应刚架结构的各阶固有频率。
改变结构斜杆直径D2, 分别取4 mm和8mm, 如图6、表1所示。可见, D2=8mm时, 刚架的各阶固有频率比较高, 且高频部分频率变化更大。这说明高频振动更易受到结构参数的变化影响, 可通过对斜杆参数的合理设定, 来调整控制结构振动保持在一个合理状态下。
对于不同结构构型, 去掉原有子结构中竖杆 (3杆) 后, M点横向位移振幅明显增大, 各阶固有频率也移向更高频段, 高频振动相比于低频振动更易受到构型变化的影响。可见, 竖杆的存在可对振动产生抑制作用, 通过对结构的合理设计可以使其固有频率符合相关设计要求, 避免共振造成结构失稳失效。
3 结论
(1) 与有限元法相比, 谱元法可更为精确地计算复杂刚架结构的动力学响应, 且计算效率更高。
(2) 对于刚架结构, Timoshenko梁模型比Euler梁模型更适合分析结构的中高频动力学响应特性。
(3) 刚架构型的合理设计与参数确定, 可以使结构固有频率避开干扰和工作频率, 有效避免共振现象的发生, 而且结构构型与参数的变化对高频振动影响大于低频振动。
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复杂动力学 篇5
复杂产品是指研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量生产的大型产品,如航天器、飞机、汽车、复杂机电产品等。[1,2,3,4,5]复杂产品往往涉及多个学科领域,与现代尖端科技休戚相关。复杂产品系统的产值占发达国家的国民生产总值的比重很大。复杂产品的制造业是国民经济和国家安全的重要基础,因此它的竞争将直接关系到国力的兴衰。[6]
由于复杂产品是由数量巨大的子系统以及更小的子系统组合在一起形成的,而这些子系统与子零件之间,存在一个复杂的巨大的关系网络,这个复杂的网络在建立的时候就非常困难,并且在复杂网络局部发生更改的时候会引起整个复杂网络的更改,并且随着复杂产品状态的变化,其复杂性是传递的(即动态复杂性)。这使得复杂产品设计中只要有一个细小的部分(或模块)发生了改变,就可能给产品整体功能带来巨大的变化,使得复杂产品设计的创新管理难度很大,风险也很大。
只有以高质量、高效率和低成本生产出的产品,才能在市场中占有优势,因此本研究提出复杂产品功能组件的复杂关系网络建模及其动力演化研究。试图解决复杂产品设计中:功能的概念化和机械结构精确性不符、推理机制灵活性不足、复杂产品的复杂性难以维护等多项问题。该文提出用构建复杂网络的方法描述、表示复杂产品,以期望真实而深刻地反映复杂产品各个元素之间的作用关系,从而给复杂产品的描述分析带来便利,从而使复杂产品研制周期更短、质量更好、成本更低、知识含量更高。
2 复杂网络
从这几年的研究来看,之所以称其为复杂网络,大致上包含以下几层意思:首先,它是大量真实复杂系统的拓扑抽象;其次,它至少在感觉上比规则网络和随机网络复杂;最后,由于复杂网络是大量复杂系统得以存在的拓扑基础,因此对它的研究被认为有助于理解“复杂系统之所以复杂”这一至关重要的问题。[7]
2.1 产品的复杂关系网络的系统建模
产品设计的复杂性动力学演化是基于复杂产品的动态设计过程中提出的问题,首先就要研究复杂产品的建模问题。
产品复杂关系网络建模的主要方法为:
1)多维粒度转化拓扑关系网络模型
多维粒度转化拓扑关系网络模型是对复杂产品多维度多粒度展开而构建的,是复杂产品及其复杂网络建模的整体方法,从总体上降低复杂产品研究的复杂性,进一步简化了复杂产品的及其关系网络的建模与分析。
多维粒度转化拓扑关系网络模型——复杂产品复杂网络拓扑建模。复杂产品的关系网络是一个巨大的非线性的关系网络,要建立一种拓扑结构模型来描述这种巨大的非线性的复杂网络。这个模型以拓扑关系网络为基础,针对复杂系统多维性进行维度分解和维度归并约简。通过对一定维度拓扑关系网络进行基于一定粒度的层次展开操作,而封装了其内部拓扑结构并通过结点整体的性质表征其内部结构的性质。这个模型可以灵活地对单个结点进行展开操作,并可进一步递归地进行展开,最终可以得到一系列不同展开高程差的具体视图,据此可以实现复杂产品复杂网络的拓扑结构和拓扑形状及其表征特性的分析。
2)复杂关系网络关联关系模型
在复杂产品中,各个零件及子部件之间,以及子部件内部各个层次与成分之间,有着复杂的关联。这种关联是具有复杂性、隐藏性以及表现的条件性。复杂性是指部件之间关联的数量巨大并以多种方式、层次、模式出现,复杂产品往往又多个子系统组成,每个子系统又由子系统或部件组成。隐藏性是指复杂产品之间的复杂关系不易显式地发觉并体现的特点,这种特点使得面向模块的复杂产品分析与建模方法难以奏效。复杂产品关系的表现条件性是指复杂关联中某些产品的关联触发带有一定的条件性,只有在某些条件满足时才能体现出这种关联关系,而这个条件往往也是某个其他零件或子部件的状态,这就又引入了一种条件关系。通过考虑以上三个特点对复杂系统复杂网络建模,可以进而研究如何将信息快速精确传递给对应部件的方法,这种方法在应对变更时有非常重要的用途。
3)基于产品设计复杂性的功能行为结构多视角映射网络建模
在对功能、行为、结构分别研究的基础上,对复杂产品的复杂关系网络进行视图分解,除了要考虑如何将复杂产品的零件及其子部件和装配映射为三个视图,还要考虑如何将复杂产品之间的关系进行视图分解,将一个复杂产品的复杂关系分解为多个视图层次,进而可以将复杂关系网络分解为功能分解网络、行为分解网络和结构分解网络。由此可以建立复杂产品的多视角映射网络分解模型,并对复杂产品非线性机理的考察与研究。
基于产品设计复杂性的功能行为结构多视角映射的网络分解。针对产品的FBS特性,可以将复杂产品复杂网络划分为:功能分解网络、行为分解网络、结构分解网络。对分解的三个视图,要研究它们之间的耦合与转换关系,主要是结合行为流理论,对行为分解网络与其他两个分解网络之间的转换关系进行研究。综合复杂产品复杂网络的分解与耦合,可以得到复杂产品复杂网络的功能行为结构分解网络模型,针对这一模型,复杂产品的通信与关联原理可以从单一的横向网络扩展到多视图多维度纵向网络,进而构成纵横交错的复杂产品立体信息传递网。
2.2 复杂产品设计的复杂性动力学演化模型的建立
在以上复杂产品复杂系统及其关系网络的模型之上,需要研究行之有效的演化推理模型,来解决复杂产品设计过程中,产品状态和功能结构变化的过程模型建模问题,目的是能够深刻的刻画复杂产品在设计过程中的状态演化和功能分解合并过程,并在结构上体现这种变化。复杂产品的复杂性突出地体现在复杂产品内部的复杂关系上,在产品的行为基础上功能结构映射下,这个复杂网络具有自组织、自反应的能力,针对这个复杂产品的复杂网络,我们提出“自组织产品复杂网络”的概念,就是从复杂网络来描述和分析复杂产品的复杂关系。
从时间和空间的维度看,复杂产品的子产品群落经历着产生、壮大、衰退和消亡这四个过程,并且这四个过程循环反复,无限迭代。从宏观角度看,由于功能结构的映射关系存在,为实现某一特定功能,便会有相应的子产品群落存在,这便是子产品群落的产生;通过对此功能的不断优化或者扩展,子产品群落的规模不断扩大,功能不断强化;但由于新技术或者其他因素的产生,存在某种能够实现相应功能但群落规模小得多产品群落,原先的产品群落不再有竞争优势,此时子产品群落开始萎缩和衰退;如果原先的功能能够被新生群落所完全代替,此时子产品群落便处于消亡的阶段了。从微观角度看,由于复杂产品的功能具有非线性性,因此子功能的载体——子部件之间形成的关系网络也具有非线性性,从而导致复杂性动力学演化无论从时间维度还是空间维度都具有非线性性。如果满足特定条件,产品的复杂性在某一个时间节点或者空间节点会发生突变,上升为另外一种状态并且能维持很长时间,从而引发产品群落演化替代。
群体智能中的群体指的是多个相互之间可以进行直接或者间接进行信息交流的主体,并且通过主体间的合作能够有效地求解分布问题;而所谓群体智能指的是具有有限智能的主体通过合作表现出高级智能的现象,因此,我们提出基于群体智能的复杂性时空演化模型。在演化过程中,产品种群作为一个单一智能体,产品群落是由若干产品种群组成的大智能体。种群之间的相互交流和外部信息对群落的激励推动演化不断向前,在时间维度上,不断有新的智能体诞生和旧的智能体消亡;在空间维度上,所有智能体都会有壮大和衰退的过程,对应到产品种群上就是功能的强化与萎缩。通过智能体的协同演化,最终达到理想的状态。
产品完整功能与当前状况的落差是产品设计复杂性动力学演化的根本动力。复杂性的演化是为了实现产品功能进行的,如果没有更高层次功能需求的驱动,复杂性演化便会停滞。但是,复杂性演化具有自组织和自发性的特征,复杂性演化过程中需要与外界不断交换信息,通过涨落和突变,使得子产品群落规模和复杂性关系网络不断进化,这是一个不断前进的螺旋式上升过程。因此,通过针对演化过程的自组织性,自发性,以及在这种群体环境下的自组织演变过程,可以探究复杂产品复杂性演化过程中子产品群落在时间和空间上所处状态及状态间转换的形式和原因。
如图1所示,产品种群在时间和空间维度上,在外界激励的作用下,会经历产生、壮大、衰退和消亡这四个阶段,相应的关系网络会在某一节点上发生突变,这种突变是非线性的,因此通过引入群体智能的概念,将一个个产品种群看做单一智能体,以此来建立复杂性动力学时空演化模型。
3 结论
本文提出复杂产品功能组件的复杂关系网络建模及其动力演化研究,用构建复杂网络的方法描述、表示复杂产品,从而给复杂产品的描述分析带来便利,从而使复杂产品研制周期更短、质量更好、成本更低、知识含量更高。
摘要：复杂产品是指研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量生产的大型产品。复杂产品设计中只要有一个细小的部分(或模块)发生了改变,就可能给产品整体功能带来巨大的变化,使得复杂产品设计的创新管理难度很大,风险也很大。因此该研究提出复杂产品功能组件的复杂关系网络建模及其动力演化研究,用构建复杂网络的方法描述、表示复杂产品,以期望真实而深刻地反映复杂产品各个元素之间的作用关系,从而给复杂产品的描述分析带来便利,从而使复杂产品研制周期更短、质量更好、成本更低、知识含量更高。
关键词：复杂网络,动力演化,复杂产品
参考文献
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[6]李伯虎,柴旭东,等.复杂产品集成制造系统工程[J].航天工业管理,2004(8).
复杂动力学 篇6
建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容, 在研究建筑结构的抗震、抗风或抵御其他动力荷载的性能时, 都必须要进行结构动力特性试验, 了解结构的自振特性。由于它可在小振幅试验下求得, 不会使结构出现过大的振动和损坏, 因此经常在现场进行结构的实物试验, 主要分为人工激振法和环境随机振动法[1]。
建筑物周围大地环境引起结构物振动的地脉动和风称为环境激振。自然地脉动是由海浪、风、交通、机械等自然和人为活动所引起, 其位移幅值从千分之几微米到几微米, 频带从0.1 Hz~100 Hz。通过拾振器测得建筑物脉动反应后, 对随机的脉动信号进行数据处理, 可得到结构的基频率或较低几阶的频率。可推导出脉动的功率谱峰值, 这些峰值对应的频率即为结构的自振频率, 而根据计算软件的精度不同, 能得出较为精确的前几阶频率的数目也不同。
1 测试仪器介绍
振动测试系统中最重要的是传感器系统, 包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器以及应变传感器等。在对高层建筑进行现场测试时, 可以根据需要选择一种或者几种不同类型的传感器。如果是采用环境随机激振, 即不采用强迫激振器激振, 则因振动信号微弱, 要求传感器有较高的灵敏度, 放大器有足够的增益。
试验采用同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所自主研发的SVSA振动信号采集分析系统, 具体的测试设备包括:采集仪1台、笔记本电脑1台、LC0132T压电式加速度传感器2只、USB连接线1根、信号线3根、采集仪电源线1根、万用表1只。
2 脉动测试法的基本原理
2.1 自振频率的估计
一般来说, 自振频率的峰点将出现在所有的谱上或者出现在大多数的记录信号中。无论是一个测点信号的自谱或者两个测点信号的互谱, 在结构自振频率峰值的位置都会出现陡峭的峰。异常输入或局部干扰也会带来一些峰值。因此, 主要问题是从谱中出现的所有峰值中, 分辨出自振频率来。如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律, 那么就可以确定此频率为建筑物的自振频率。而且, 在自振频率处, 两测点输出信号之间的相干函数接近1。
2.2 阻尼比的求取
脉动激励的频谱通常情况下是比较平坦的, 可以看成是有限带宽的白噪声, 建筑结构振动信号的功率谱在自振频率处会出现较大的峰值。将测试所得的信号求其自功率谱, 通过峰值所在频率点来识别结构的自振频率。对于各阶自振频率对应的阻尼比, 可以采用半功率法求取, 由半功率点幅值确定半功率带宽Vω, 然后根据下式计算[2]:
其中, ωk为第k阶自振频率;H (ωk) 为k阶自振频率处的峰值。
3 某复杂高层结构动力测试
3.1 结构概况
本文测试对象选取的是上海某复杂高层建筑结构, 该复杂高层建筑是集教学、实验、科研、会议及办公等多项功能于一体的现代高校建筑, 总建筑面积约43 316 m2, 建筑高度97.5 m, 该建筑上部结构为21层巨型钢框架结构体系, 框架的层高为4 m, 每边9跨, 跨度为5.4 m, 结构平面尺寸为48.6 m×48.6 m, 主体结构采用钢框架加外围支撑的形式。标准层楼板为压型钢板上浇捣混凝土, 主楼楼层中部楼板缺失, 形成L形3平面, 往上顺时针旋转, 每三层旋转90°, 到顶层共旋转6次。该建筑较多楼层的楼板开洞面积大于楼板面积的35%, 有效楼板宽小于典型楼板宽度的40%;结构沿高度每隔3层设2 m高设备层, 竖向刚度突变, 该建筑属于典型的平面不规则和竖向刚度不规则的复杂高层结构。
3.2 测点布置
测点选择在较高层楼梯间拐角处, 以减少外界对信号的干扰, 使测量结果精度达到要求。对于综合教学楼, 测点布置在21层楼梯间拐角处;从结构平面布置图中可见, 此结构纵向、横向均较为规则, 因此, 按东西 (EW) 、南北 (NS) 布置传感器, 分别量测结构在这两个方向的自振频率。
为了排除高频背景噪声的干扰, 使得测试结果的低频成分更真实, 本次测试将仪器采样频率调整到50 Hz。地脉动激励可以看作各态历经的平稳随机过程, 只要测试时间足够长, 可以用单个样本函数上的时间平均来描述这个过程的所有样本的平均特性, 本次测试记录时间设定为20 min以上, 其中某测试样本的时程如图1所示。
4 结构动力特性分析
根据随机振动理论, 分别计算采集到的加速度时程的功率谱, 其中图1所示的时程样本的功率谱如图2所示。
按照第二节脉动测试法的基本原理, 分别求取结构在两个方向上的自振特性, 只要是结构自振频率和阻尼比, 并将各个样本计算的结果取平均值, 作为该复杂高层建筑结构的自振频率和阻尼比, 具体结果见表1。
对于高层建筑, 可按文献[3]中钢筋混凝土框架和框剪结构基本自振周期的计算公式得到其自振周期:
其中, H为房屋总高度;b为房屋宽度。根据式 (2) 得到的该复杂高层建筑结构的自振频率为0.58 Hz, 相比脉动测试结果稍微偏大, 这个主要是因为结构在使用过程中的损伤、老化导致结构刚度降低, 自振周期延长所致。
5 结语
本文根据脉动测试原理, 对一栋复杂高层建筑结构进行了环境振动测试, 采用随机信号的频域分析方法对测试数据进行了分析, 确定了高层结构的自振周期和阻尼比。
通过将环境振动得到的基本自振周期与规范计算的结果进行对比分析, 结果表明, 实测的复杂高层建筑结构的自振频率比按规范计算的结果略小, 这个主要是因为结构在使用过程中的损伤、老化导致结构刚度降低, 自振周期延长所致。
振动测试能够较好地识别高层结构的1阶~3阶自振频率及阻尼比, 且结果具有足够的精度。
摘要：对某复杂高层建筑结构的动力特性进行了现场测试, 通过对测试结果进行分析, 得出了该结构的自振特性, 为建筑结构的安全性评估及损伤识别提供了参考资料。
关键词：复杂高层建筑,振动测试,动力特性
参考文献
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复杂动力学 篇7
关键词：多功能复杂高层建筑,抗震,动力分析,弹塑性动力时程分析
引言:我国是一个地震多发国家, 直到上个世纪, 我们的抗震理论才慢慢形成。经过历史的沉淀, 社会文化的不断发展, 人类对地震不断深入研究, 人们渐渐认识地震、了解地震。随着我国城市化建设的不断发展, 科技的不断进步发展, 低层建筑已经满足不了人类的需求, 高层建筑得到迅速发展。尤其是近几年城乡结合发展, 国家对高层建筑建设的支持, 建设用地需求逐渐增大, 为了节省土地资源占用, 建筑格局逐渐从高层向多功能复杂的超高层建筑发展。由于大量土地被征用建设, 使地震、龙卷风等自然灾害不断发生。高层建筑虽然对节省土地资源起到较明显的效果, 但是如果建筑设计的不合理, 施工质量不达标, 当地震以及龙卷风等灾害来袭, 将会倒塌倾覆, 对人民的生命财产安全产生严重威胁, 因此, 我们必须对高层建筑的抗震能力加强研究。
一、高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容
高层建筑结构抗震分析软件多种多样, 如PKPM、尹建科, Etabs等等, 而抗震分析理论则都是一样, 下面主要对基本抗震分析理论作简单介绍, 《高层建筑混凝土结构技术规程》对不同形式建筑的抗震分析方法做了相应的规定, 选取相应的抗震分析方法对客观评价建筑结构的抗震能力至关重要。
(一) 底部剪力法
它是一种用静力方法近似解决动力学问题的简易方法, 它计算概念清晰, 计算方法简单, 但它不能反映各种材料自身的动力特性及结构物之间的动力响应, 更不能反映结构物之间的动力耦合关系。
(二) 振型分解反应谱法
实际也是一种拟静力分析方法, 考虑了结构自身动力特性和地震动特性之间的关系。
(三) 时程分析法
时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法, 由时程分析可得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应, 进而计算构件内力和变形的时程变化。
(四) 弹塑性能动力分析
为了使高层建筑在地震发生时还可以屹然不倒, 必须预算出各个楼层在地震发生时反映出来的数据, 这样就必须用干模型和层模型对建筑结构进行简化。使用干模型计算各个楼层的数据, 可以得到较为准确的数值, 这一方法虽然便于弹塑性能的计算, 但是在计算过程中耗时较长, 并且过程较为繁琐, 投资也较大。层模型计算方法也可以得到各个楼层的精确数值, 并且在计算数据时产生的数据较少, 因此, 层模型计算方法得到大量推广。
(五) 弹塑性静力分析
在建筑结构抗震设计中, 弹塑性静力分析一直被广泛应用。弹塑性静力分析是介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法, 其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。
二、高层建筑结构的受力分析
进行建筑设计和建设时, 必须结合我国对建筑抗震相关规范, 对建筑结构进行全面的受力分析, 保障建筑结构的安全性。
(一) 全面考虑高层建筑结构的受力
在进行高层建筑设计时, 必须要对建筑结构的各个方面进行考虑, 实践表明, 建筑结构的水平荷载以及竖向荷载对建筑抗震能力有很大作用, 建筑越高, 荷载也不断加大, 因此, 必须对其竖向荷载和水平荷载进行研究。设计建筑结构时, 必须要制定较为完整的方法来降低事故率, 尽量保证高层建筑结构的安全性与可靠性。
(二) 保障建筑的安全稳定性
通过对高层建筑与底层建筑的相比较, 我们可以得出, 越是高的建筑物其摆动性就越大, 因此, 在设计建筑物时必须要将刚度进行加强, 并采取一系列的加强措施, 满足建筑的延性和耗能要求, 避免结构发生倒塌, 符合三水准设防目标。
三、地震对高层建筑物产生影响的因素
为了保障高层建筑物的抗震能力, 必须要对地震对高层建筑物产生影响的因素进行了解。
(一) 高层建筑结构概念设计
高层建筑要有较强的抗震能力, 必须要对高层建筑设计进行重视, 对高层建筑必须要进行科学合理的设计, 保证高层建筑设计的科学化, 使高层建筑在遇到小型地震中不受任何影响, 即使遇到大地震也不会出现倒塌现象。一旦将高层建筑物设计的过于复杂, 使建筑物的结构不能科学的建设, 刚度不能达到要求, 只要发生地震, 高层建筑物轻则裂缝, 重则倒塌。因此, 高层建筑结构设计必须科学合理, 才能使建筑物的抗震能力不断增强。
(二) 高层建筑建设使用的材料
高层建筑物建设时使用的材料必须是符合国家规定的。建筑行业的不断发展, 必定会有一些商家被利益驱使, 为了可以节省自身成本, 在建设结构设计中使用冷轧变形钢筋, 冷轧变形钢筋因韧性较小, 质量不好, 特别容易导致建筑物的抗震性变差。一些小型企业为了节省开支, 不顾人民的安全, 在建筑结构设计中大量使用一些质量不过关的建材, 以牟取暴利。这些行为不但违反了我国对建筑行业的法律法规, 还使建筑物变得岌岌可危, 不利于社会进步发展。还有一些小型企业为了节省成本, 直接削减了一些建筑材料的性能。对于此现象, 我们一定要严加监管。
四、高层建筑结构抗震设计建议
一个设计合理, 施工质量合格的建筑物, 才能经得起大型地震带来的动荡。因此, 高层建筑结构抗震设计就变得尤为重要。为了人民群众的生命安全和社会可持续发展, 不断加强建筑结构设计理论研究, 重视施工质量, 从而提高建筑的安全性。
(一) 对建筑材料优质选择
为了保障人类安全和建筑行业良好安全发展, 我国颁布了一系列关于建筑材料的规范, 建筑材料生产厂商必须要按照规范要求进行生产经营, 并且敢于举报一些企业在建筑建设过程中的不法行为, 尽最大努力降低危险, 积极构建共同美好家园。
(二) 根据地勘进行设计
为了保障高层建筑的安全性与可靠性, 必须坚持无地勘不设计的原则。在建设之前, 必须对建筑场地进行地质勘查, 并要求勘查单位出具正式的地勘资料, 对基础形式作出判断。
(三) 提高建筑设计师的设计水平
社会快速发展, 必定会带动事物的新旧交替, 一些建筑结构也变得越来越多元化, 设计内容越来越新颖, 技术要求越来越高。因此, 建筑设计人员一定要有较高的技术与较强的知识能力。信息时代的到来, 使计算机普遍应用到了建筑设计中, 由于建筑设计软件操作较难, 专业性较强, 必须要求建筑设计人员有较强的专业能力和操作能力。必须定期给设计人员进行培训, 提高对建筑设计软件的操作能力与认知能力, 打造一个具有专业素养的强大的建筑设计队伍。
结束语
随着社会经济发展进步, 人力物力财力的不断雄厚, 在地震中受到伤害甚至死亡的数量越来越大。目前, 我国地震研究专家通过对历史上的地震案例进行研究, 得到了许多有效的抗震经验, 并且制定了一系列适合我国国情的结构设计规范, 即使有许多不足之处, 但我相信, 随着我国经济不断发展, 综合实力的增强, 我们的建筑设计理论及施工技术水平会显著提高。
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复杂动力学 篇8
一、复杂钢结构施工后需满足的要求
施工完成后, 结构要满足两个条件, 一结构的变形不能超过预定的限制;二和其它载荷的组合应当满足复杂钢结构承载的要求, 结构中的锁定内力要保持在一定的范围内。因此, 设计人员应当了解复杂钢结构的成型方法, 熟悉钢结构的成型过程, 并对施工过程加强分析。施工技术人员也要揣摩工程设计师的设计意图, 只有这样才能对施工过程中的内力发展情况、结构变形情况有一个清楚的认识, 完成的产品才能满足既定的要求。
二、复杂钢结构施工过程中存在的力学问题和相应解决方法
根据施工过程中的力学问题总结, 本文把其归纳为12类进行分析和解决。
1. 施工过程模拟分析
上文已说明, 安装完成后复杂钢结构要满足一定的要求。所以, 应模拟分析复杂钢结构的施工过程, 并计算结构在成型时的内力变形情况和内力变化情况, 进而得出钢结构安全受施工方案的影响程度。
2. 计算加工变形预调值和安装变形预调值
对于高层倾斜建筑和大跨度钢结构来说, 最大难题是, 因为要用无支撑胎架来安装, 施工过程中的结构变形将对后续的结构构件产生很大影响, 因此应当预测和预调后续构件的安装位形, 确定复杂钢结构的安装坐标和加工尺寸, 保证安装后的钢结构位形可以满足目标位形的要求, 这是提出加工与安装变形预调值计算的工程背景。计算变形预调值的方法有迭代法、倒拆迭代法等方法。
3. 钢结构找形分析
一般来说, 钢结构的设计位形由设计单位进行确定, 然后由制作和施工单位根据设计位形找出初始安装位形, 这样才能保证落架后钢结构的位形与目标位形基本相同。所以施工及制作单位对于设计方给出的钢结构以及目标位形要实施找形分析, 并确定初始的位形。
4. 柔性结构的成型过程和技术分析
柔性结构要在张拉成型后满足设计位形的相应要求, 结构中的拉索预应力也要控制在设计值的要求范围之内。所以, 技术人员需要探索和研究多种预应力张拉方案及施工成型方案, 争取在施工成本较低的情况下取得最好的施工效果。
5. 施工方案的优化和安装锁定内力的分析
通常, 如果复杂钢结构的成型过程及施工方案不同, 锁定结构中的初始内力也会不同, 对于复杂钢结构来说, 混凝土的收缩徐变是一个很漫长的过程, 但它外面的框架施工变形却很快就能完成, 由于二者变形差的存在, 悬伸桁架的安装会变得很困难。因此, 若要让施工完成后的钢结构内外同连接在同一个水平面上, 并且保证悬伸桁架内的附加内力不大, 混凝土楼面也不开裂, 必须首先分析结构的施工变形, 然后才能建立方案。
6. 安装时的温度变化影响
温度变化不但是进行结构设计需要考虑的一个重要影响因子, 也是结构安装及施工时的影响方面。结构的施工和安装需要很长一段时间, 构件加工同样也要经过一段时间, 这段时间内的温度变化会使钢结构在变形上产生很大的偏差。如果不考虑这个影响, 最终可能导致钢结构安装不上, 或者即使能够强迫着安装成功, 复杂钢结构也会产生不小的装配应力。
7. 屋盖拆撑
一般来说, 大跨度的屋盖都要设置支撑, 这类支撑的拆除是一项比较复杂的工作。拆除期间钢结构会发生内力和和结构方面的变化, 目前, 在液压控制方案中, 拆撑是自动实现的。所以具有安全方便的优点, 但是需要通过优化分析来确定它是不是经济成本较低的、结构能在弹性范围内工作的拆撑方案。拆撑计算是一个非常复杂复杂的过程。它遇到的主要问题是从算法上怎样去实现拆撑的目的。
8. 预应力结构张拉过程的模拟分析和张拉方案的优化
结构施工的核心就是预应力结构的张拉控制及张拉方案, 科学合理的张拉方案要通过很多轮的张拉分析及计算才能获得, 它能自动反映后张拉对于先张拉的预应力影响, 还能考虑预应力的张紧及预应力损失受钢结构变形影响的程度。
9. 滑轮体系和吊装结构稳定性问题
多滑轮组体系中, 被吊结构是一个可以活动的几何体系, 有两个问题存在于吊装的过程中, 一被吊结构的稳定性和结构体系的稳定性, 二怎样确定被吊钢结构的平衡位形和中心。对被吊结构的吊点位置和吊点数量进行选择时要注意满足三个条件, 一被吊结构的内力要相对均匀, 变形也要比较均匀, 二避免被吊结构产生失稳或强度破坏, 三被吊结构的变形要能使结构方便安装就位。而且要制定大跨度桁架结构的吊装方案, 只靠经验来确定吊点以及吊点的分布是不行的, 还要进行一定的分析计算。在起吊的过程中, 要避免桁架出现平面外失稳, 那是一个整体的失稳破坏, 和吊点的分布及吊点的多少都有关, 通常情况下, 吊点越多, 发生平面外失稳的几率越小。
1 0. 创新施工技术
进行施工技术的创新时, 要把握两个要点:第一, 要将创新施工方案与新结构形式密切结合起来, 然后对新结构的构成、受力特点进行分析来创新施工方案;第二, 解决施工力学问题离不开计算机技术, 要利用计算机技术对施工过程进行仿真, 以便查看复杂钢结构在进行施工时的内力变化过程和变形过程。关键施工技术有整体顶升、整体滑移施工技术和其它特殊结构的施工技术等, 基于现有技术再加入一些新的技术也是技术创新的范畴, 比如将液压穿心式千斤顶和计算机控制相结合就能创新整体提升技术。特殊结构形式技术的创新, 可以先对一般共性问题进行研究, 也可以按照摩天观光轮结构形式进行具体对待。
1 1. 复杂钢结构的构件焊接工艺、节点焊接工艺、残余应力
近年来, 复杂钢结构的工程项目中已经开始应用高强度厚钢板, 比如CCTV新主楼工程中的米形节点、目形钢构件, 它们的顺序和施焊工艺对节点的承载性和延性都有重要影响。顺序和施工工艺不合理将会产生不利的两向或三向拉应力分布, 也会产生残余应力, 可以降低结构延性, 使抗震性能降低。通过ABAQUS、ANSYS等分析软件, 可以模拟施焊过程的扩散分布规律和热流动规律, 判断残余应力的分布和大小, 并依此来评价焊接工艺的合理性。
1 2. 确定安装位形, 分析幕墙结构变形情况
幕墙只有在主体结构施工到一定楼层才开始安装, 后续施工步骤推进时, 主体结构变化会导致已经安装的幕墙在空间上发生弹性变形和刚体移位。为了吸收这种变形, 要处理好主体钢结构、幕墙支撑钢结构之间的构造关系和连接关系, 并在菱形格构的各组成构件之间、玻璃板和构件连接的地方留一定的容差。
三、结语
本文探讨了解决复杂钢结构施工中力学问题的方法, 对复杂钢结构施工提供了一定的帮助。
参考文献
[1]何春涛, 何应勇, 张建.宁夏大学活动中心钢管桁架屋盖卸载施工技术[J].钢结构, 2007 (08) .