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碳素纤维复合材料(CFRP)斜拉索非线性振动特性和参数激励研究

李志江  
【摘要】:本文的研究工作由国家自然科学基金项目“薄壁结构一声耦合问题的中频计算方法研究”(项目编号:10872075)资助。本文对各向异性碳素纤维CFRP斜拉索的优缺点和材料的基本力学特性进行了研究,对国内外关于CFRP斜拉索、参数激励下钢质斜拉索大幅空问运动的机理、CFRP斜拉索大幅振动机理研究和考虑阻尼的CFRP索运动的研究进展和不足之处进行了介绍。斜拉索作为超大跨度桥梁的关键构件,结合CFRP材料性质,采用各向异性的材料本构关系,考虑了弯曲刚度、剪切刚度和扭转等因素影响,推导出了对CFRP材料斜拉索分析有针对性,而且计算精度较高的梁模型方程,以便于更好的分析CFRP斜拉索大幅振动机理,以及在外部激励荷载作用下非线性动力学特性。 提出了各向同性材料斜拉索精度较高梁模型的非线性动力学方程。考虑剪切刚度、弯曲刚度和扭转等因素,为解决对大截面各向同性材料斜拉索在大幅度运动和外部激励条件下分析斜拉索内在力学特性提供可靠实用的计算方法。为了计算方便,本文对斜拉索梁模型方程进行了简化,满足在一定条件下斜拉索计算分析精度要求,为今后工程技术和研究人员进行工程实际运用提供了新的平台。 讨论了阻尼对CFRP斜拉索的振动的影响。考虑了气动力阻尼和粘性阻尼器对各向异性材料CFRP斜拉索和钢制斜拉索的振动影响。 对斜拉索进行了模态分析。采用各向同性材料斜拉索梁模型和各向异性材料斜拉索梁模型与通常的索模型的模态进行了对比分析,得出了采用梁模型与索模型的计算精度与适用条件。便于在工程实际中更好的利用梁模型与索模型对斜拉索进行工程分析。 讨论了CFRP斜拉索在参数激励下进行了动力学分析。采用各向同性材料斜拉索梁模型和各向异性材料斜拉索梁模型结合非线性动力学分析方法,采用相应的边界条件、多尺度法和运用离散方法对非线性动力学模型得出了CFRP斜拉索频率—响应和力—响应等诸多力学现象。为使用CFRP材料斜拉索工程运用提供了理论根据。 本文揭示高模量CFRP斜拉索大幅度空间运动丰富的动力学行为,结合各向弹性理论进行建模与分析,为研究斜拉索动力学提供一条途径,为高模量CFRP斜拉索的设计与实施提供了理论意义和应用价值。再经过进一步的完善和发展,可望形成一套斜拉索动力学系统的分析计算方法。


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