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水工弧形钢闸门的动态荷载识别

刘少兵  
【摘要】:弧形钢闸门是水工建筑物中运用最广泛的门型之一,闸门结构的振动问题是水利工程中普遍存在的问题。随着我国水利、水电、水运建设事业的不断发展,高水头大坝不断兴建,工作闸门的承压水头日益加大,孔口尺寸、弧门支臂长度日益增大,低水头大坝的控制闸门尺寸亦越加大,大量的闸门需要满足局部开启要求,运行条件日趋复杂。在水动力荷载作用下闸门结构的流激振动、动力稳定性及安全可靠性等问题越来越受到人们的高度重视。 对于这种流激振动,仅仅从水力学角度和结构特性方面进行优化,仍然难以避免。采用结构振动智能控制的方法是解决流激振动问题的进一步措施,同时,对其进行在线健康检测与损伤诊断也显得尤为重要。不管是结构智能控制,还是结构健康监测与损伤诊断,弄清楚工程结构所承受的荷载是它们的共同前提。而闸门振动时所受的水动力荷载,直接测定十分困难,精度也很低,因此,进行水工弧形钢闸门的动态荷载识别是一个急需研究解决的重要课题。 动态荷载识别属结构动力学中的第二类反问题,它是根据已知系统的动态特性和实测的动力响应反算结构所受的动态激励。本文详细介绍了振动结构动态荷载识别的各种方法,包括频域法、时域法、小波正交算子变换法、时间有限元法和基于神经网络的方法等,并对各种理论和方法存在的突出问题作了分析、比较和总结。然后讨论了弧形闸门的流激振动问题,从闸门振动类型出发,分析了弧形闸门振动特性及破坏原因。在此基础上总结了目前控制流激振动的主要措施,并提出了弧形闸门流激振动的智能控制措施。 在详细介绍了Hilbert-Huang变换这一全新的信号分析理论之后,本文分别采用轮次法和HHT方法对典型水流脉动压力时域过程进行了平稳性检验分析,说明在一定开启工况下,作用于闸门体的水流脉动压力可视为各态历经平稳随机过程,其特征量可应用随机函数理论及其谱分析获得。 本文根据三维有限元方法计算的结构动力特性和简化结构动力特性相等的原则修正弧形闸门的简化力学模型,确定了等效的弧形闸门三维简化结构模型和系统参数。利用该简化力学模型,采用基于模态分析法的动态荷载时域识别方法,对水工弧形钢闸门的水流脉动荷载识别进行了仿真分析,表明该方法的可行性和有效性。


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