堆叠双体结构摇摆动力响应数值模拟和试验研究

• 作 者: 胡鹏飞
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 堆叠双体结构 Rosenbrock积分方法 振动台试验 摇摆运动

由一个个刚体堆叠而成的刚体结构在强烈地震中会发生摇摆晃动的现象而具有良好的减震性能,作为自复位系统被广泛地用于实际工程。然而在地震作用下,某些堆叠刚体结构亦容易发生翻倒破坏,特别是雕像类的历史文物,其地震破坏会造成严重的后果。因此,研究堆叠刚体结构的动力响应,提高其减震性能和抗倒塌能力,具有非常重要的研究意义。堆叠双体结构动力分析既涉及繁琐的几何非线性问题,又包含复杂的碰撞分析。目前,国内外堆叠双体结构动力响应方面的研究,基本上是单纯的数值模拟或试验研究,未见有数值模拟与试验结果对比分析的相关文献。于此,本文通过五个方面对堆叠双体结构动力响应进行系统的研究,包括:摇摆响应理论分析、Matlab数值分析、动力试验研究、ABAQUS有限元模拟、参数分析与应用。本文的主要结论如下:(1)在一定假定条件下,运用拉格朗日方程推导不同模式下堆叠双体结构的摇摆运动方程。并运用角动量守恒定律建立了堆叠双体结构碰撞前后角速度的关系表达式,实现了不同运动模式的转换。(2)采用适合求解刚性问题的Rosenbrock数值积分方法求解刚体结构的摇摆运动方程,并提出“子步法”提高碰撞过程的计算精度和碰撞后运动模式判断的准确性,给出了堆叠双体结构动力响应的Matlab计算程序。(3)进行堆叠双体结构的自由振动试验和地震激励试验,并与Matlab数值模拟计算结果进行了对比分析,验证了本文所提出的计算方法的合理性。(4)基于ABAQUS软件,进行了堆叠双体结构动力响应的有限元模拟,并与Matlab计算结果和试验结果进行了对比分析。研究表明,ABAQUS程序的计算结果也具有一定合理性,但存在计算效率低、稳定性差等问题,而且在有些情况下计算结果对摩擦系数极为敏感,与实际不符。(5)基于Matlab数值模拟计算程序,对实际雕像-底座结构进行了应用分析和参数分析。研究表明,对于雕像-底座双体结构,在相同壁厚底座的条件下,雕像的摇摆角峰值随着底座高宽比增大而减小;而在相同高宽比底座的条件下,雕像的摇摆角峰值随着壁厚的增大而增大。因此,充分说明了在一定的条件下,能够通过合理设计底座减小雕像的摇摆响应和摇摆角峰值,降低雕像倒塌的风险,在一定程度上达到对雕像抗震减震的保护效果。