间隙结构波动动力学分析

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本文以含间隙铰链平面框架结构的动力学特性为研究目标,利用波动理论研究了在冲击载荷作用下,铰间隙的存在对平面框架结构整体性能的影响。  首先,根据弹簧阻尼等效间隙模型结合固体材料的粘弹性理论,建立了纵向波的等效间隙铰模型,推导了应力波在杆结构中的传播方程,并介绍了特征线法在求解一维纵波方程中的应用,依靠该方法研究了应力波在不同边界条件下的透射和反射规律。采用衰减系数结合传播方程来描述粘弹性杆中应力波的传播,并给出了具体数值算例。最后采用特征线法对所建立的等效间隙模型进行了求解,分别研究了三状态下间隙铰中应力波的透反射规律,并分析了不同间隙尺寸、不同粘性系数和不同碰撞速度对间隙铰处应力波幅值的影响规律,同时也为后文建立平面二维间隙铰模型做铺垫。  然后,分别推导了杆单元和梁单元的波动方程及谱单元模型,将平面间隙铰等效为径向和横向的弹簧阻尼系统,采用弹性基础接触模型研究了间隙铰处径向刚度和切向刚度的关系,推导了间隙铰的运动方程,并建立了间隙铰的谱单元模型,将梁的谱元模型和间隙铰的谱元模型进行组合,构成了二维间隙结构模型,针对该结构采用谱单元法进行了分析,研究了在改变间隙径向刚度、间隙夹角和梁之间夹角时结构的响应,结果表明,间隙的刚度及接触位置对结构响应有很大影响,在存在阻尼的情况下,适当的降低接触刚度,能起到一定的隔离振动作用。  最后,根据前文所建立的二维间隙铰模型,编制了基于谱元法的平面含间隙铰框架结构的参数化界面求解程序,采用该界面程序分析了含间隙铰的平面框架结构动力学响应。对由四种基本单元构成的平面含间隙铰框架结构进行了分析,研究了不同间隙尺寸,间隙刚度和阻尼对结构响应的影响,并分析了不同梁单元截面半径和弹性模量对结构响应的影响,结果表明梁单元的弹性模量和截面半径越大,则结构在冲击作用下的响应幅值越小,结构更加稳定。
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