集中荷载作用下悬索的面内运动非线性分析与应用

论文摘要

由于悬索具有重量轻、抗拉强度高、阻尼小以及柔性较好等特点,广泛应用到工程索道、桥梁斜拉索和传动链条等领域。同时悬索又是工程实际中很多部件的力学简化模型,因此,悬索的动力学研究一直是力学和工程界关心的一个重要课题。由于悬索具有无限自由度,当计入非线性因素时,面内和面外振动相互耦合,呈现复杂的非线性动力学行为。近些年来,随着斜拉桥的大量使用,针对斜拉索的研究很多,而对于工程索道的承载索,由于悬索上集中荷载的作用,其非线性动力学行为非常复杂。如果计入承载索或集中荷载的运动速度,研究其非线性动力学行为更加困难。目前,在工程索道的实际设计计算中,一般只考虑悬索的静力计算,没有考虑悬索的非线性动力学行为。本文以工程索道承载索为背景,研究集中荷载作用下悬索的面内运动非线性动力学行为,设计出悬索工程实用动力学特性表。具体的研究内容如下:全文共分为八章。第一章为绪论,比较详细地介绍了多年来悬索领域的研究成果,并针对工程索道的研究和应用作了概述,最后介绍了本文的研究目的和主要内容。第二章引入悬索无量纲重力曲线方程,推导了悬索的无量纲容许荷重和轴力计算公式,为后续各章作准备。第三章从弦的动量方程出发,建立了悬索的三维非线性动力学方程和基于悬索静态挠曲线的悬索平面非线性动力学方程,为悬索的非线性分析提供了必要的基础。对于具有集中质量两端固定的悬索,通过伽辽金方法得到了系统的各阶线性频率计算公式。第四章针对具有集中质量两端固定的悬索在集中荷载点外激励作用下悬索系统发生的强迫振动,采用多尺度法,得到了各阶振型的主共振分叉点的解析解,通过算例得到了主共振分叉图,并对主共振的可能解进行了稳定性分析。第五章针对具集中质量两端固定悬索在集中荷载点外激励作用下悬索系统发生的强迫振动,分析了悬索系统可能出现的次共振现象,得到了悬索的次共振解的通式。根据该通式可以直接分析系统的次共振以及次共振出现的条件。通过实例由该通式对一阶振型的2次超谐波共振、3次超谐波共振、1/2亚谐波共振、1/3亚谐波共振进行了分析,得到了分叉图。第六章针对具集中质量两端固定悬索在杆端外激励作用下悬索系统发生的强迫振动,得到了轴向激励下悬索的非线性振动控制方程和各阶振型分叉点的解析表达式。分析了具集中质量两端固定悬索在轴向激励作用下系统的主共振和次共振,得到了次共振解的通式。根据该通式可以直接分析系统可能出现的次共振以及次共振出现的条件。通过实例计算,得到了悬索的各阶振型的主共振分叉图和主共振分

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 悬索的研究现状
• 1.2 工程索道概述
• 1.2.1 货运索道
• 1.2.2 客运索道
• 1.2.3 缆索起重机
• 1.2.4 林用索道
• 1.3 工程索道承载索的特点
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 主要创新点
• 第2章 工程索道静态曲线实用计算
• 2.1 引言
• 2.2 悬索的无量纲重力曲线方程
• 2.3 悬索的无量纲容许荷重与轴力计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 悬索的非线性动力学性态与自振频率分析
• 3.1 引言
• 3.2 悬索的三维非线性动力学方程
• 3.3 悬索的自振频率分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 集中荷载作用下悬索的主共振分析
• 4.1 引言
• 4.2 伽辽金方法
• 4.3 主共振多尺度法求解
• 4.4 分叉分析
• 4.5 可能解的稳定性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 集中荷载作用下悬索的次共振分析
• 5.1 引言
• 5.2 次共振多尺度法求解
• 5.3 2 次超谐波共振
• 5.4 3 次超谐波共振
• 5.5 1/2 次亚谐波共振
• 5.6 1/3 次亚谐波共振
• 5.7 本章小结
• 第6章 具集中质量悬索在轴向激励作用下的非线性分析
• 6.1 引言
• 6.2 具集中质量悬索在轴向激励作用下的主共振分析
• 6.2.1 伽辽金方法
• 6.2.2 分叉分析
• 6.2.3 可能解的稳定性分析
• 6.3 具集中质量悬索在轴向激励作用下的次共振分析
• 6.3.1 次共振多尺度法求解
• 6.3.2 2 次超谐波共振
• 6.3.3 3 次超谐波共振
• 6.3.4 1/2 亚谐波共振
• 6.3.5 1/3 亚谐波共振
• 6.4 本章小结
• 第7章 集中荷载作用下运动悬索的非线性分析
• 7.1 引言
• 7.2 伽辽金方法
• 7.3 速度激励主共振多尺度法求解
• 7.4 分叉分析
• 7.5 可能解的稳定性分析
• 7.6 本章结论
• 第8章 悬索工程实用动力学特性表
• 8.1 引言
• 8.2 基于“无量纲容许荷重”的悬索容许荷载计算
• 8.3 基于悬索容许荷载的静止悬索主共振最小频率
• 8.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 悬索工程实用动力学特性表
• 致谢