[發(fā)明專利]基于量綱分析研究相鄰非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910354047.0
• 申請(qǐng)日: 2019-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN110333041A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳巧云;王濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M7/08
• 分類號(hào): G01M7/08;G01M5/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發(fā)明公開了一種基于量綱分析研究相鄰非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞的方法，該方法包括：步驟一、采用改進(jìn)的Kelvin模型來模擬兩個(gè)非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞過程中產(chǎn)生的碰撞力；步驟二、采用雙線性樓層剪力?層間位移曲線模型模擬單自由度結(jié)構(gòu)的非彈性特性，得到了碰撞過程中無量綱碰撞力表達(dá)式以及無量綱運(yùn)動(dòng)方程；步驟三、采用無量綱Π參數(shù)表示相鄰非線性單自由度結(jié)構(gòu)的碰撞方程；步驟四、采樣數(shù)值分析方法帶入兩組數(shù)值，對(duì)改進(jìn)的Kelvin模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證了模型的正確性。本發(fā)明的改進(jìn)的Kelvin模型能用于模擬碰撞體在接觸過程的力和變形，采用無量綱Π參數(shù)表示碰撞方程時(shí)，影響兩個(gè)非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的變量由14個(gè)減少到11個(gè)，能夠較清晰的反應(yīng)碰撞規(guī)律。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)碰撞分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于量綱分析研究相鄰 非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞的方法。

背景技術(shù)

地震災(zāi)害是現(xiàn)如今人類社會(huì)面臨的最主要的自然災(zāi)害之一，且具有突發(fā)性 和毀滅性的特點(diǎn)。近年來，地震災(zāi)害不僅對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞甚至倒塌， 還造成大量人員傷亡和巨額的財(cái)產(chǎn)損失。地震不僅造成了大量的人員傷亡和財(cái) 產(chǎn)損失，很多相鄰的建筑結(jié)構(gòu)由于地震期間發(fā)生碰撞也造成了嚴(yán)重的損害。

Wolf和Skrikerud、Chau和Wei以及Anagnostopoulos等學(xué)者針對(duì)相鄰單 自由度結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)展開了深入的研究。然而，地震作用下相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞不 僅與地震動(dòng)的特性有關(guān)，還受到結(jié)構(gòu)特性以及相鄰結(jié)構(gòu)間的特性的影響等，即 結(jié)構(gòu)碰撞是一個(gè)受到諸多參數(shù)影響的高階非線性問題。由此看來，研究地震作 用下相鄰結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)最主要的困難在于處理大量的參數(shù)。然而采取量綱分析 方法，以較少的無量綱參數(shù)來研究結(jié)構(gòu)碰撞，不僅可以減少研究參數(shù)的數(shù)量， 又能夠更加清晰的反映出地震作用下相鄰結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的規(guī)律。

基于量綱分析方法，眾多學(xué)者針對(duì)相鄰單自由度結(jié)構(gòu)的碰撞問題采取了相應(yīng)的研究。Makris等于2004年首先提出基于量綱方法研究結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的 響應(yīng)。2009年，Zhang和Tang采用量綱分析方法來研究土和結(jié)構(gòu)的相互作用 對(duì)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的影響。同年，Dimitrakopoulos等采用量綱分析方法研究 多個(gè)單自由度結(jié)構(gòu)間的碰撞反應(yīng)，通過Buckingham定理，以較少的無量綱 參數(shù)來表征結(jié)構(gòu)的碰撞，從而減少了影響結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的參數(shù)的數(shù)量。2015 年，翟長(zhǎng)海等將量綱方法與接觸單元方法相結(jié)合，采用Kelvin模型來模擬碰 撞力，研究單自由度與剛體間的碰撞，實(shí)時(shí)描述了結(jié)構(gòu)碰撞體在接觸階段的力和變形。2018年，吳巧云等選用更加符合物理事實(shí)的碰撞模型(改進(jìn)的Kelvin 模型)，研究彈性單自由度結(jié)構(gòu)與剛體的碰撞，彌補(bǔ)了Kelvin模型的缺點(diǎn)，真 實(shí)的反映出結(jié)構(gòu)碰撞的規(guī)律。但大部分研究中只是將相鄰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為線性單自 由度結(jié)構(gòu)，而相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞是非線性問題，采用非線性模型更具真實(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于量綱 分析研究相鄰非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種基于量綱分析研究相鄰非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞的方法， 該方法包括以下步驟：

步驟一、在研究?jī)蓚€(gè)非彈性單自由度結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)化地震作用下的碰撞反應(yīng) 時(shí)，采用改進(jìn)的Kelvin模型來模擬兩個(gè)非彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞過程中產(chǎn)生 的碰撞力；

步驟二、在地震動(dòng)作用下，采用雙線性樓層剪力-層間位移曲線模型模擬 單自由度結(jié)構(gòu)的非彈性特性，得到了碰撞過程中無量綱碰撞力表達(dá)式以及無量 綱運(yùn)動(dòng)方程；

步驟三、根據(jù)量綱分析法的Π定理，采用無量綱Π參數(shù)表示相鄰非線性單 自由度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，得到無量綱Π參數(shù)表示的運(yùn)動(dòng)方程，使影響兩個(gè)非 彈性單自由度結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的變量的數(shù)量減少；

步驟四、采樣數(shù)值分析方法帶入兩組數(shù)值，對(duì)改進(jìn)的Kelvin模型進(jìn)行驗(yàn) 證，驗(yàn)證了模型的正確性。