Спектральный анализ колебаний строительных конструкций и их элементов на основе электромеханического подобия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Кудинов, Сергей Викторович

• Кудинов, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кудинов, Сергей Викторович

Введение

1 Аналитические исследования электромеханических аналогий в динамике строительных конструкций

1.1 Анализ методов расчета динамики строительных сооружений и их элементов

1.2 Электромеханическое подобие при анализе строительных сооружений

1.2.1 Анализ основных положений классической механики движения динамических систем

1.2.2 Системы электромеханических аналогий

1.2.3 Критерии подобия

1.3 Систематизация видов воздействий в динамике строительных сооружений

1.4 Автономные колебания стержня

1.5 Поперечные колебания элементов строительных конструкций при наличии постоянных продольных сил

1.6 Электрическое подобие затухающих колебаний стержневой конструкции с сосредоточенными массами

Выводы

2 Совершенствование метода анализа колебаний строительных конструкций и их элементов на основе прямого и обратного электромеханических преобразований

2.1 Свободные колебания системы с конечным числом степеней свободы

2.2 Параметрические колебания

2.3 Изгибно-крутильные колебания

2.4 Колебания механической системы с бесконечным числом степеней свободы

Выводы

3 Разработка методики прямого и обратного электромеханического преобразования для спектрального анализа колебаний строительных сооружений и их элементов

3.1 Методика прямого и обратного электромеханического преобразования

3.2 Разработка программного комплекса для расчета строительных конструкций

3.3 Анализ результатов реализации программного комплекса

Выводы

4 Практическая реализация программного комплекса для расчета строительных конструкций

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектральный анализ колебаний строительных конструкций и их элементов на основе электромеханического подобия»

Актуальность темы исследования. Строительные конструкции, силовое оборудование, транспортные средства в условиях эксплуатации подвергаются различным видам динамического воздействия: вибрациям, ветровым нагрузкам, ударам, сейсмическим колебаниям. Рабочие элементы при этом испытывают напряжения и перемещения, которые могут быть автономными (поперечными, крутильными, продольными) или связанными в различных сочетаниях. Более того, динамические процессы могут происходить при одновременном воздействии статических силовых факторов.

Наибольшую опасность для объекта создают резонансные процессы, при которых частота возбуждения близка к одной из собственных частот колебаний объекта. Всестороннее изучение динамических процессов во всех областях техники, в том числе в строительной механике, и применение спектрального анализа с использованием информационно-вычислительной техники, следуя известной триаде «модель-алгоритм-программа», позволяют получить оперативную систему анализа в динамике сооружений.

Проанализировав результаты использования различных методов динамического расчета строительных сооружений, видим необходимость усовершенствовать метод спектрального анализа строительных конструкций и их элементов на основе электромеханического подобия.

Подобие уравнений, описывающих механическую и электрическую структуры, позволяет получить искомый результат более компактным и быстрым способом, переходя от механической системы с помощью теории подобия к электрической системе. С большим разнообразием универсальных методов расчета остается только произвести обратный переход к механической системе. Этот подход также результативен в технических науках, как прямое и обратное преобразования Лапласа в математике.

В строительной механике существует большое число задач динамики строительных конструкций, где необходимо рассматривать одновременное воздействие нескольких разнородных внешних факторов, и их решение при помощи электромеханических аналогий является актуальным, особенно для нелинейных систем.

Целью работы является создание методики прямого и обратного преобразования на основе электромеханического подобия для спектрального анализа колебаний строительных конструкций и их элементов.

Идея работы состоит в использовании электромеханического подобия для совершенствования метода спектрального анализа строительных конструкций и их элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Усовершенствован метод анализа по определению частот свободных колебаний строительных конструкций и их элементов на основе прямого и обратного электромеханических преобразований.

2) Усовершенствован метод анализа по определению частот свободных колебаний строительных конструкций и их элементов за счет использования в электрических схемах предварительно заряженных накопителей энергии (конденсаторов и катушек индуктивности).

3) Предложена методика анализа колебаний строительных конструкций и их элементов на основе электромеханических аналогий за счет применения ак

Ф тивных четырехполюсников.

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:

- использованием основных положений фундаментальных принципов и методов строительной механики, электротехники и математического аппарата при исследовании изучаемых процессов;

- подобием уравнений динамики в строительной механике и уравнений, описывающих динамические процессы в электрических цепях;

С*

- применением известных методов расчета электрических цепей к расчету динамики строительных конструкций;

- большим объемом проведенных расчетов тестовых задач (более 30);

- удовлетворительной сходимостью полученных результатов динамического расчета строительных конструкций и их элементов с результатами тестовых задач (в пределах погрешности 1-^-2%).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1) Разработана методика прямого и обратного преобразования на основе электромеханических аналогий для спектрального анализа колебаний строительных конструкций и их элементов.

2) Создан программный комплекс для исследования строительных конструкций и их элементов, реализующий прямое и обратное электромеханические преобразования на основе методов анализа электрических цепей, преобразований Фурье и теории подобия.

3) Результаты исследований внедрены в проектных организациях: ООО Ростовский-на-Дону конструкторско-технологический институт (РКТИ); ОАО «Озон» г. Ростова-на-Дону; Ростовская организация Союза архитекторов ПТАМ Бескровной JI.B.; в научных исследованиях и учебном процессе кафедр Ростовского государственного строительного университета.

4) По результатам исследований издано учебное пособие «Электрическое моделирование элементов строительных конструкций на ЭВМ» и внедрено в учебный процесс.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) Методика прямого и обратного преобразования на основе электромеханического подобия для спектрального анализа колебаний строительных конструкций и их элементов.

2) Программный комплекс для расчета динамики строительных конструкций, позволяющий представлять набор элементов строительных конструкций их электрическими аналогами для дальнейшей компоновки и создания необходимой механической системы; рассчитывать электрические цепи методом узловых потенциалов; производить спектральный анализ моделируемых величин строительных конструкций на основе дискретного преобразования Фурье.

3) Применение активных четырехполюсников для расчета связанных колебаний строительных конструкций в электрических схемах-аналогах.

4) Использование электрических цепей с предварительно заряженными накопителями энергии (конденсаторы и катушки индуктивности) для анализа частотных свойств строительных конструкций на основе теории подобия.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на: XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Ростов-на-Дону, 2003; III Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства», г. Новочеркасск, 2003; Международных научно-практических конференциях «Строительство-2002», «Строительство-2003», «Строительство-2004», г. Ростов-на-Дону, 2002, 2003 и 2004.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) по госбюджетной теме «Совершенствование электрооборудования, электротехнологий и систем автоматики в строительном комплексе», № гос. регистрации 01.200.2 14111.

Автор выражает глубокую признательность Чеголину Петру Михайловичу -научному руководителю, без которого эта работа не увидела бы свет; Кононенко Виталию Витальевичу - за его ценные советы и замечания при работе над диссертацией. Огромная благодарность моим родителям и родственникам за терпение и всестороннюю помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Кудинов, Сергей Викторович

Результаты работы внедрены в проектных организациях: ООО РКТИ г. Ростова-на-Дону; ОАО «Озон» г. Ростова-на-Дону; Ростовская организация Союза архитекторов ПТАМ Бескровной J1.B.

Разработанный программный комплекс использован в учебном процессе кафедр Ростовского государственного строительного университета при проведении лабораторных занятий. Аналитические исследования динамики элементов строительных конструкций, и способы их электрического моделирования используются при чтении студентам спецкурсов.

Практическая реализация предложенного программного комплекса в различных проектных организациях позволила получить спектры частот, по которым выбраны первые (основные) частоты колебаний строящихся многоэтажных зданий и высотных конструкций.

Заключение

В результате выполненных исследований достигнута основная цель - создание методики прямого и обратного преобразования на основе электромеханического подобия для спектрального анализа колебаний строительных конструкций и их элементов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) выявлены основные достоинства и недостатки различных методов динамического расчета строительных сооружений и их элементов и показано преимущество использования метода анализа, основанного на электромеханическом подобии, для некоторого круга задач;

2) выявлены различные виды сложных деформаций и их сочетаний при совместном действии статических и динамических нагрузок, использующиеся при анализе совместных изгибно-крутильных колебаний на активных четырехполюсниках;

3) усовершенствован метод анализа по определению частот свободных колебаний строительных конструкций и их элементов на основе прямого и обратного электромеханических преобразований;

4) усовершенствован метод анализа по определению частот свободных колебаний строительных конструкций и их элементов за счет использования в электрических схемах предварительно заряженных накопителей энергии (конденсаторов и катушек индуктивности);

5) усовершенствован метод анализа колебаний строительных конструкций на основе электромеханических аналогий за счет применения активных четырехполюсников, что позволило исключить влияние реактивного сопротивления катушек трансформатора на параметры электрической схемы в зависимости от частоты питающего напряжения;

6) разработана методика прямого и обратного преобразования на основе электромеханических аналогий для спектрального анализа колебаний строительных сооружений и их элементов;

7) на основе электромеханических аналогий создан программный комплекс для расчета динамических характеристик строительных конструкций и их элементов.

8) использование разработанного программного комплекса позволяет достаточно просто создавать адекватные расчетные схемы сложных строительных конструкций и реализовать методы структурного анализа их работы и поведения при динамических воздействиях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кудинов, Сергей Викторович, 2005 год

1. Вибрации в технике. Справочник, т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. М.: Машиностроение, 1978. - 352 с.

2. Безухов Н.И., Лужин О.В. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах: Учеб. пособие для строит, спец. вузов. М.: Высш. шк., 1987, 263 с.

3. Случайные колебания. Под ред. А.А. Первозванского. Изд. «Мир», М.: 1967, 356 с.

4. Снитко Н.К. Динамика сооружений. Л.-М., Госстройиздат, 1960, 356 с.

5. Исследования по теории сооружений. Сб. статей. Выпуск X. Госстройиздат. М. 1961,296 с.

6. Сопротивление материалов. Под ред. А.Ф. Смирнова. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1975.-480 с.

7. Строительная механика. Стержневые системы: Учебник для вузов / Под ред. А.Ф. Смирнова. -М.: Стройиздат, 1981. 512 с.

8. Неустроев В. Ф. К вопросу проверки устойчивости плоских стержневых систем с узловой нагрузкой. Исследования по теории сооружений (сб.), вып. VI. М., Госстройиздат, 1954.

9. Строительная механика стержневых систем и оболочек: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Ю.И. Бутенко. Киев: Вища школа, 1980. - 488 с.

10. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967.-316 с.

11. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1966.-432 с.

12. Вибрации в технике. Справочник, т. 2. Колебания нелинейных систем / Под ред. И.И. Блехмана. М.: Машиностроение, 1979. - 351 с.

13. Овсянко В.М. Компьютерный анализ электронных моделей деформируемых объектов на примере одной неконсервативной системы // Изв. вузов. Строительство. 1995. №7-8. - с. 27-32.

14. Бондарь Н.Г. Решение задач динамики стержневых систем на электрических моделях. Инж. сборник АН СССР, т. XVI, 1953. с. 87-108.15