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泄流结构耦合动力分析与工作性态识别方法研究

李火坤  
【摘要】: 随着水利水电工程高水头、大流量泄水建筑物的大量兴建及工程结构趋于轻型化,水流诱发振动问题会更加突出。研究水流诱发结构振动的机理,泄流结构耦合动力分析的模拟、预测分析方法,泄流结构优化设计方法和安全动态检测方法等,是泄流结构设计和安全运行的重要课题。本文主要开展以下三个方面的研究: (一)泄流结构耦合动力分析的模拟与预测方法研究。本文成功地实现了从传统的单一水动力效应分析方式到水动力-结构体系多效应耦合分析方式的跨越。(1)在前人研究水流脉动压力频谱相似律符合重力律的基础上,以弧形闸门为例,综合考虑整个闸门体系耦合作用及闸门的水动力特性,首次全面地用物理模型仿真模拟了水力系统-弧形闸门结构(系统)-支撑结构(闸墩、启闭杆)整个体系的耦联振动问题;并采用充分反映闸门薄板空间结构特点板壳单元模拟预测闸门空间体系结构的耦合动力特性。(2)提出了弧形闸门支臂在偏心荷载作用下的动力稳定性理论研究方法,研究了偏心动力荷载对弧形闸门支臂动力稳定性的影响。(3)综合物模、数模、动力稳定性分析的研究成果分析了闸门的动力安全性,提出了避免弧形闸门强烈振动的措施。 (二)泄流结构耦合动力优化设计方法研究。本文提出基于耦合动力安全的泄流结构动力优化设计方法。(1)首次提出了考虑导墙结构耦合动力安全为控制指标的结构优化设计方法,提出了导墙断面结构优化数学模型;在考虑导墙结构耦合动力安全约束条件的基础上,同时考虑导墙结构的几何条件、静力强度和稳定性的约束,将静力分析、耦合动力分析与支持向量机技术相结合对导墙结构断面形式的优劣进行智能评估;采用遗传算法实数编码,利用随机方式产生初始导墙断面种群群体进行优化计算,在保证导墙结构满足静、动力安全的前提下,实现导墙断面型式的最优化。(2)首次提出了考虑弧形闸门支臂静、动力稳定性的弧形闸门优化设计方法,提出了弧形闸门主框架优化数学模型;在同时考虑闸门的几何约束、静力强度、刚度约束、静动力稳定性约束的基础上对弧形闸门主框架进行动力优化设计,在保证静动力安全的前提下节省了工程投资。 (三)基于泄流激励的泄流结构动力检测与工作性态识别研究。针对原型动力试验激励难的问题,本文结合水工结构在工作状态下环境激励荷载的特点,直接根据水工结构在工作环境激励荷载作用下的动力响应识别结构的动力特性。(1)首次提出一种利用特征矩阵奇异熵对信号进行降噪、重构、定阶以及模态参数识别ERA方法,解决了定阶和降噪难的问题,揭示了结构在工作状态下的模态阶次及模态特性。(2)针对频域分解法中的奇异值曲线峰值(谱密度函数峰值)选取的主观性及其精度取决于计算功率谱密度函数时傅立叶变换精度的影响,根据泄流激励的特点,提出通过定义模态一致性函数的方法,比较准确地确定了奇异值曲线的峰值,解决所拾取峰值是结构真实模态频率还是噪声引起的虚假模态频率(如水流噪声模态频率)的问题,并同时确定该阶模态起主要作用的优势频域带宽,提高了阻尼比的计算精度。(3)首次对二滩拱坝、三峡溢流坝及其左导墙、李家峡双排机厂房进行了大规模全面的正常运行状态下(如汛期泄洪工作状态)的原型振动测试,并将本文提出的基于泄流激励的模态参数识别理论方法首次应用到上述大型水工结构的原型工作模态参数识别,对其正常运行工作性态进行了评估。


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