抗弯垂索动力学方程约化与参数识别

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无论是水平悬索和斜拉索,对其固有频率的研究是当前重点研究课题之一。研究表明拉索的固有频率与其拉索索力存在着一定的物理学关系,且拉索索长、弯曲刚度、垂度以及倾斜角等物理参数对拉索的固有频率有着显著影响。目前,对这些物理参数的研究已经趋于成熟,但是大部分研究多限于对某一个特定参数进行分析,获得该特定参数对固有频率的影响。本文主要采用建立理论公式、无量纲约化以及数值分析相结合的方法研究了无量纲参数对水平拉索和斜拉索固有频率的影响,主体内容如下:(1)通过D′Alembert原理建立仅考虑垂度作用时,水平悬索和斜拉索的有量纲自由振动方程。采用新的无量纲方法获得垂索的规范型动力学方程,基于规范型动力学方程的频率方程具有统一的标准形式。在两端固结的边界条件下,系统无量纲频率ωi仅与Irvine参数λ~2和倾斜角参数ε有关。研究表明:对于水平悬索,Irvine参数λ~2仅对奇数模态基频存在影响,随着Irvine参数λ~2的增加,会出现模态跨越现象;对于斜拉索,Irvine参数λ~2对各阶模态基频均会产生影响。当Irvine参数λ~2取较小值时,第一阶无量纲频率ω1变化较大,其他阶频率变化不大,随着Irvine参数λ~2的逐渐增大,对高阶频率的影响也逐渐增大,并且出现相邻阶次频率之间相互靠近又相互分离的现象。(2)通过Hamiton原理建立了考虑弯曲刚度与垂度共同作用时,水平悬索和斜拉索的有量纲自由振动方程,采用新的约化方法获得抗弯垂索的规范型动力学方程,基于规范型动力学方程的频率方程仍具有统一的标准形式,在两端固结边界条件下,系统的无量纲频率ωi与广义索长L和Irvine参数λ~2以及倾斜角参数ε′有关。并且通过数值求解方法实现了无量纲频率与弯曲刚度和垂索的解耦,研究表明:对于水平悬索,Irvine参数λ~2仅对面内振动的正对称频率产生影响,并且广义索长L、Irvine参数λ~2与无量纲频率ωi满足一一对应的单调关系,当广义索长L逐渐增大时,无量纲频率ωi逐渐减少,当Irvine参数λ~2逐渐增加时,无量纲频率ωi逐渐增大。对于斜拉索,从无量纲频率方程的数值分析出发,广义索长L、Irvine参数λ~2和倾斜角参数ε′均对无量纲频率ωi有重要的影响,当倾斜角参数不为0时,Irvine参数λ~2对各阶频率都会产生影响。(3)采用数值分析法分别研究了抗弯垂索面内振动和面外振动的无量纲频率方程,对于面外振动的无量纲频率方程,基于频率比偏移系数γij与广义索长L的单调性提出双频式参数识别算法;对于面内振动的无量纲频率方程,基于频率比系数ηij与广义索长L和Irvine参数λ~2的单调性提出三频式参数识别算法。研究结果表明:双频式参数识别算法适用于不考虑垂度的拉索,具有不错的识别精度;对于考虑垂度的拉索,三频式参数识别算法具有更广泛的适用性和更好的准确性。
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