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考虑风速风向联合分布的高耸结构顺风向风致疲劳寿命预测分析

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摘要

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 高耸结构的分类和发展

1.2.1 高耸结构的分类

1.2.2 高耸结构的发展

1.3 相关领域研究现状

1.3.1 风合速风向联分布的研究现状

1.3.2 高耸结构风致疲劳研究现状

1.4 本文的研究内容

1.4.1 课题的研究内容与意义

1.4.2 本文的主要工作

第2章 风荷载及风致疲劳

2.1 风的基本特性

2.1.1 平均风

2.1.2 脉动风

2.2 风对结构的作用

2.2.1 风速与风压

2.2.2 风荷载的计算

2.2.3 结构的风振响应

2.3 结构的风致疲劳

2.3.1 疲劳定义及其基本特点

2.3.2 疲劳极限、疲劳寿命与疲劳曲线

2.3.3 疲劳寿命设计方法

2.3.4 时域内疲劳损伤累积的计算方法

2.3.5 频域内疲劳损伤累积计算方法

2.4 本章小结

第3章 风速风向联合分布的建模

3.1 数据简介

3.2 韦伯分布拟合下的风速风向联合分布

3.2.1 韦伯分布的分类

3.2.2 韦伯分布的拟合

3.3 混合分布拟合下的风速风向联合分布

3.3.1 核密度估计

3.3.2 Hermite多项式模型拟合原理

3.3.3 Hermite多项式模型的局部优化

3.3.4 混合分布

3.4 本章小结

第4章 基于模拟风荷载下的疲劳计算

4.1 结构有限元模型的建立

4.1.1 结构简介

4.1.2 有限元模型的建立

4.2 风速时程的模拟和风荷载

4.2.1 谐波叠加法

4.2.2 灯柱处的顺风向风速时程的模拟

4.3 灯柱结构顺风向响应下的风致疲劳分析

4.4 本章小结

第5章 疲劳寿命预测分析

5.1 基于风速风向联合分布下的风致疲劳分析

5.1.1 基于韦伯分布下风致疲劳寿命预测

5.1.2 基于混合分布下风致疲劳寿命预测

5.1.3 考虑遮盖效应时的风致疲劳寿命预测

5.2 基于闭合公式疲劳寿命预测

5.2.1 窄带随机荷载下的疲劳

5.2.2 宽带随机荷载下的疲劳

5.3 本章小结

结论与展望

结论

展望与建议

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文

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摘要

随着高耸结构的应用越来越广泛,其对人类社会重要性不断增加。高耸结构的本身的结构特性决定了在大多数情况其设计控制荷载为风荷载。高耸结构在往复循环的风荷载作用下易在其结构薄弱处产生疲劳破坏,合理的设计能够使结构不但能够抵抗外荷载而且能够充分发挥材料的性能。而目前大多数规范的基本风压是基于50年一遇极值风风速来确定的,未计入风向的影响。对于金属结构,此类方法可能造成结构疲劳损伤的高估,从而引起结构疲劳寿命的低估。而且,完整风数据采的缺失可能造成对实际中出现的风的遮盖效应的忽视。在本文中,采用长达13年的观测站现场实测数据对结构进行长周期疲劳寿命进行评价。不同于在先前的研究中一般实测数据时间为4-5年,此次长达13年的数据为研究风的方向性和遮盖效应对疲劳寿命预测的影响提供了很好的机会。首先用数据建立风速风向联合概率密度函数,然后对考虑风的方向性和不考虑风的方向性情况下结构疲劳寿命进行分析预测。此外,文中也对遮盖效应进行了探索。具体内容包括:
  1.简要回顾了高耸结构的历史与发展现状和介绍了相关的风速风向联合分布以及高耸结构风致疲劳的研究现状。
  2.简述了风的基本特性和其对结构的作用,接着对疲劳和风致疲劳的基本计算方法进行了介绍。
  3.首先对实测风数据进行初步处理,分别采用韦伯分布的方法和基于核密度估计与Hermite多项式模型的混合分布的方法对平均风分布进行拟合,并比较其优劣;同时对混合分布下的参数选取进行优化建议。
  4.采用谐波叠加法原理,利用相关软件来模拟结构位置处的风场。在将其转换为相应的风荷载后,把对应风荷载加载到相应的结构有限元模型上,计算得到其疲劳损伤与现场实测得到的疲劳损伤值作比较。
  5.分别计算了基于韦伯分布和混合分布下的结构在考虑风的方向性与不考虑风的方向性的疲劳预测寿命,而且本文也对风的遮盖效应的影响进行研究。此外,本文也对基于频域的疲劳寿命预测闭合公式的结构疲劳寿命分析计算,并与前述结果对比分析。

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