[發明專利]一種多段式索纜結構動力特性的精細化快速求解方法

在審

• 申請號: 202010570240.0
• 申請日: 2020-06-21
• 公開（公告）號: CN111783199A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 韓飛;鄧子辰
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F17/13;G06F119/14
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發明涉及一種多段式索纜結構動力特性的精細化快速求解方法，其求解過程全部是閉合形式的，因此相比于傳統時域解法具有更高的計算效率和精度。通過在索廠對一根長20米的實索進行振動特性測試，以及同有限元解進行對比，驗證了本發明方法的準確性和有效性。其中，本發明計算結果與實測頻率相比最大誤差為2.6％，而與有限元解相比最大誤差不超過0.67％，從而說明了本發明的計算精度。此外，本發明適用于橫向支撐為彈性支持、阻尼器、集中質量、以及這三者任意組合的場景，因此具有很好的普適性，能夠進一步用于實際工程中該類結構的索力監測及損傷識別等。

技術領域

本發明屬于結構工程技術領域，涉及大跨度橋梁結構的主纜、斜拉索、吊桿等索纜承重構件的動力特性分析和索力監測，特別涉及一種多段式索纜結構動力特性的精細化快速求解方法

背景技術

近三十年多來，隨著我國經濟和交通運輸行業的高速增長，橋梁結構的跨度不斷取得突破。拉索作為大跨度橋梁的主要承力結構之一，其結構形式也變得愈加復雜。其中，研究帶有多個橫向支撐的多段式索纜結構，常見的如斜拉索-阻尼器體系、懸索主纜-吊桿體系、以及索網體系等，具有重要意義和工程價值。

索纜結構由于柔度大、阻尼小等特點，極易在外荷載作用下發生振動，因此研究其動力特性對于此類結構的優化設計、健康監測、以及振動控制等具有重要理論價值。然而，多段式索纜結構動力特性的準確求解難度很大，主要體現在：

(1)結構運動構型的準確描述是其精細化動力分析的前提也是起點。對于多段式索纜體系，受橫向支撐的影響，由其劃分的各索段在振動過程中將遵循不同的運動構型，如何準確計算各索段的運動構型是一大難點；

(2)拉索振動過程中的彈性伸長會引起附加索力，國內外研究至今只能給出一段或兩段式拉索附加索力的解析表達式，對于多個索段的尚無相關研究工作；

(3)當考慮拉索抗彎剛度、垂度、傾角、阻尼等因素后，系統動力特性的精細化快速分析將十分困難，傳統動力學理論及數值方法難以同時兼顧計算精度和效率。

鑒于上述困難，目前尚沒有一種通用的解析或半解析動力分析理論，能夠同時解決(1)、(2)、(3)中描述的困難，故而有必要針對多段式索纜體系研究發展一套具有普適性的動力分析方法，從而實現結構動力特性的精細化快速分析。

發明內容

本發明解決的技術問題是：有鑒于現有分析方法在處理上述問題中的局限性，本發明提供一種適用于多段式索纜體系動力特性的精細化快速分析方法，目的在于：

(1)解決多段式索纜系統的精細化動力建模問題；

(2)給出多段式索纜體系附加索力的顯式解；

(3)給出多段式索纜體系頻率方程的精確、快速求解方案。

本發明的技術方案是：一種多段式索纜結構動力特性的精細化快速求解方法，包括以下步驟:

步驟一：基于多段式索纜結構動力學建模，建立系統運動微分方程組，包括以下子步驟：

子步驟一：定義一個斜拉索纜的傾角為θ，初始垂度為d，弦向長度為l₀，(x₀,y) 為索纜的整體坐標系；索纜的端部A、B兩點為彈性約束，端點A處的轉動支承剛度和豎向支承剛度分別表示為和端點B處的轉動支承剛度和豎向支承剛度分別表示為和拉索受到水平張力H的作用，其在張力和自重共同作用下的初始構型用 y₀(x₀)表示；假設索纜上安裝有n-1個橫向元器件，索纜被n-1個橫向元器件分割為n 個索段，記第j個索段的弦向長度、局部坐標系、以及位移函數分別為l_j、x_j和u_j(x_j,t)， (j＝1,2,...n)；