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基于LabVIEW索力测试系统开发研究

作　者: 傅理文
导　师: 程伟平；汪劲丰
学　校: 浙江大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 拉索动力特性索力有限元法频率法测试系统
分类号: U448.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

拉索作为一种效率极高的全张力受拉构件,由于具有灵活的布置方式而广泛地应用于现代土木工程中。但作为结构体系中的“生命线”,拉索直接受外界环境作用影响,易发生各种病害而引发自身乃至整体结构的失效。因而,有必要通过索力测试以掌握结构体系中的索力状态水平,从而为结构的施工控制指导及运营监测评估提供良好的数据支持。在现行成桥阶段的索力测试中,频率法因其成熟的理论及快捷、反复的操作程序,几乎成为唯一选择。本文基于该法进行测试系统开发研究,其主要内容如下:基于频率法测试原理,针对工程中一般索构件的力学特性进行解析法和数值法研究。根据解析法归纳,得到适用于刚度索的水平直梁动力计算模型和适用于柔性索的小垂度拉索模型分别在理想边界条件下的频率方程。考虑真实索构件的实际特性(几何非线性、复杂边界条件)与解析法(适用条件、求解效率)之间的矛盾,采用普通一维有限元单元建模,就特定拉索进行参数影响分析,结果表明拉索抗弯刚度及边界选取是影响拉索频率索力关系的主要因素。然一维单元受其构造假定局限,难以准确模拟实际拉索截面尺度的刚度特性,故采用退化梁单元对不同长度拉索进行三维仿真建模探析,其动力分析结果与梁单元及公式值符合较好。由此,退化单元分析模式所得结果可作为索力测试系统数据分析库中的分析存档,可针对截面、材料变化复杂或受力形式多变索构件进行补充分析,实现其测试调用。完整的索力测试系统开发基于NI系列硬件产品及其LabVIEW平台,主要通过LabVIEW所编制的虚拟仪器对实际测试进行操控。根据索力测试中数据采集、分析及存储三大任务分别设计程序模块,通过三者集成实现测试采集的信号调理及交互控制、数据分析的索动力计算模式的开发调用以及同步的自动数据存储。针对索力测试系统进行数值模型验证以及实际工程实验验证。前者采用拉索有限元模型分别在单点随机荷载、单点简谐荷载、多点高斯荷载激励作用下的位移时程曲线进行传感器的时域信号模拟,通过系统子程序的运行得到相应工况下的数值模型测试结果,同模型预加索力参数对比验证程序内置函数的准确及一般适用性,该索力数值误差因所取激励荷载的差异,约在5%以内,基本满足工程精度要求。后者则采用系统现场实测拉索的索力值与其历史数据的比较以验证软、硬件集成系统测试的综合效果,其索力数值在其历史变化范围内,偏差在7%左右。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 索的历史及工程应用  11
  1.2 索力测试必要性  11-13
  1.3 索力测试现状  13-14
  1.4 频率法索力测试现状  14-17
  1.5 本文工作  17-19
2 索的力学分析经典理论及应用  19-46
  2.1 索静力分析理论  19-25
    2.1.1 索形曲线  19-21
    2.1.2 等效弹性模量  21-25
    2.1.3 其它分析理论  25
  2.2 索动力分析理论  25-45
    2.2.1 常用拉索计算振动模型解析法  26-33
      2.2.1.1 振动模型1(梁振动模型)  26-29
      2.2.1.2 振动模型2(弦振动模型)  29
      2.2.1.3 振动模型3(带减震器振动模型)  29-30
      2.2.1.4 振动模型4(垂度索振动模型)  30-33
    2.2.2 常用拉索计算振动模型有限元法  33-38
      2.2.2.1 常用拉索单元  34-35
      2.2.2.2 常用拉索单元基本单元元素矩阵  35-38
    2.2.3 拉索有限元动力分析  38-45
  2.3 本章小结  45-46
3 基于实体退化单元的拉索分析  46-58
  3.1 实体退化单元基本理论  46-53
    3.1.1 运动方程  46-47
    3.1.2 几何方程  47-48
    3.1.3 物理方程  48-49
    3.1.4 边界条件  49-50
    3.1.5 单元元素矩阵  50-51
      3.1.5.1 单元刚度矩阵  50-51
      3.1.5.2 单元质量矩阵  51
    3.1.6 等效节点荷载  51-53
  3.2 实体退化单元动力数值模型模拟  53-57
    3.2.1 模型建立  53
    3.2.2 模型计算  53-57
  3.3 本章小结  57-58
4 索力测试系统开发  58-80
  4.1 LabVIEW开发平台简介  58-59
  4.2 索力测试系统开发  59-70
    4.2.1 索力测试系统需求分析  59-60
    4.2.2 索力测试系统硬件设计  60-62
    4.2.3 索力测试系统软件设计  62-70
  4.3 索力测试系统信号处理及功能设置  70-78
    4.3.1 信号处理基本技术参数  70-77
      4.3.1.1 信号采样过程中的基本技术参数  70-72
      4.3.1.2 信号调理过程中的基本技术参数  72-77
    4.3.2 系统动态运行模拟信号试验  77-78
  4.4 本章小结  78-80
5 索力测试系统验证  80-91
  5.1 索力测试系统数值验证  80-87
    5.1.1 时程分析  80-86
      5.1.1.1 拉索激励荷载  80-83
      5.1.1.2 拉索模型建立  83
      5.1.1.3 时程分析结果  83-86
    5.1.2 傅里叶变换及索力计算  86-87
  5.2 工程应用  87-90
  5.3 本章小结  90-91
6 结论与展望  91-93
  6.1 结论  91
  6.2 展望  91-93
参考文献  93-98
硕士期间学术成果及完成工作  98

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