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-ДонуРостовская 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 системырассчитывать электрические цепи методом узловых потенциаловпроизводить 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 14 111.

Автор выражает глубокую признательность Чеголину Петру Михайловичунаучному руководителю, без которого эта работа не увидела бы светКононенко 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.

Результаты работы внедрены в проектных организациях: ООО РКТИ г. Ростова-на-ДонуОАО «Озон» г. Ростова-на-ДонуРостовская 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.