随机振动结构Von Mises应力过程峰值概率密度函数的研究

随机振动载荷作用下结构的多轴疲劳分析非常复杂,利用Von Mises应力准则将多轴应力转换为单轴应力是一条简单而有效的途径。在频域利用Von Mises应力对结构进行多轴疲劳分析的前提是必须获得Von Mises应力过程中应力循环的概率密度函数。本文利用平稳随机过程的穿越分析和极值的概率分析,给出了计算Von Mises应力过程峰值概率密度函数的公式,为进一步进行疲劳损伤及寿命分析打下了基础。     

线性随机结构在随机激励下动力响应分析

利用虚拟激励法对随机结构正交展开理论进行扩展,并在Ritz向量子空间中对扩阶系统方程进行动力聚缩,提出了一类可以快速高效地进行线性随机结构复合随机振动分析的计算方法．算例分析表明,该法可以方便地分析随机结构在平稳或非平稳随机激励下的复合随机振动问题,且分析结果与 Monte Carlo模拟分析结果符合良好;与均值参数确定性结构传统随机振动分析计算结果相比,随机结构在相同随机激励下响应自谱密度曲线具有峰值降低、谱宽增大的特点．     

椭圆形桩井护壁爆破振动安全判据

钻爆法作为桩基开挖的主要破岩手段,所产生的爆破振动引起桩井护壁结构发生动态响应,进而影响桩井结构的稳定性。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA3D,以峰值质点振动速度和有效拉应力作为指标,模拟了椭圆形桩井护壁结构对爆破振动的动态响应。计算结果表明:不同掘井深度的椭圆形桩井护壁对不同段药量爆破振动的动态响应呈相似规律,最大质点峰值振速及峰值拉应力分布一致,均位于护壁井口端的弧形壁部分,响应强度随段药量的减小而减小;护壁结构的峰值拉应力与峰值振速呈线性关系,基于抗拉强度准则,确定了该工程条件下护壁的安全振动速度阈值为8 cm/s,现场测试验证了预设判据的合理性。     

平稳/非平稳激励下中厚圆柱壳随机振动响应的基准解

圆柱壳结构被广泛应用于航空航天、船舶、汽车工程等领域.由于服役环境复杂,圆柱壳会受到随机激励作用,从而产生随机振动响应.本文针对考虑横向剪切变形和转动惯量的中厚圆柱壳,将虚拟激励法拓展到连续体结构,高效获得了各类随机激励下响应均方根的基准解.首先,开展了简支条件下中厚圆柱壳的自由振动分析,精确求得各阶自振频率和解析振型...     

给出不确定性激励下的动态响应边界——一种非随机振动分析方法

提出了一种非随机振动分析方法,可给出系统在不确定性激励下的动态响应边界,从而为实验信息相对缺乏的不确定性振动分析及未来的可靠性设计提供一种新的计算工具.采用非概率凸模型过程而非传统的随机过程描述不确定性动态激励,仅需知道激励在任意时刻点的边界信息而非精确概率分布,从而有效降低对大样本量的依赖性.针对单自由度和多自由度系统,建立了相应的非随机振动分析算法,以求解系统在不确定性动态激励下的响应区间;另外,也给出了蒙特卡罗仿真方法,为非随机振动提供一种最为一般的分析工具.最后,通过3个数值算例验证了本文方法的有效性.非随机振动分析方法可以作为传统随机振动理论的补充,在工程不确定性结构动力学分析及结构可靠性设计领域发挥作用.      

矩形夹层板的非线性磁弹性随机振动

以表层较薄、夹心较软的四边简支矩形夹层板为研究对象,分析其在磁场环境中的非线性磁弹性随机振动问题。根据板壳磁弹性基本理论、夹层板的弯曲振动理论、连续体的随机振动理论,利用伽辽金积分法得到了在电磁场中受横向随机载荷作用时四边简支矩形夹层板的非线性磁弹性随机振动方程;并利用FPK方程法解出了四边简支矩形夹层板非线性随机振动位移响应和速度响应的方差、位移响应和速度响应的概率密度等多个数字特征。最后针对具体算例,通过数值模拟讨论了电磁参数、功率谱密度参数、板的几何尺寸的变化对各数字特征的影响。由数值模拟结果可知,调节随机激励、磁场强度、板的几何尺寸的大小能有效地控制结构随机振动产生振动位移的概率。     

随机振动环境下航天器结构强度设计方法综述

随机振动环境是航天器结构强度设计重点考虑的因素之一. 目前, 在随机振动环境条件下, 航天器结构强度设计采取的方法主要为等效的准静态设计方法, 其等效原则可分为加速度响应等效、位移响应等效以及应力响应等效. 本文重点介绍了3 种等效原则的基本原理、处理方法、国内外发展现状及工程应用情况, 并在综合分析的基础上推荐使用基于位移和应力峰值响应等效的设计方法. 最后针对需进一步开展的研究工作提出了建议.      

磁场中夹层圆板的非线性磁弹性随机振动

根据板壳磁弹性基本理论、夹层板的弯曲振动理论及连续体的随机振动理论,得到了在磁场环境中周边固支夹层圆板的非线性随机振动方程;利用稳态FPK方程法解出了夹层圆板随机振动位移和速度响应的多个数字特征,并讨论了参数变化对各数字特征的影响.通过数值模拟讨论了磁场参数、激励的功率谱密度参数以及板的几何尺寸的变化对各数字特征的影响.由数值模拟结果可知,改变随机激励的大小、磁场强度及板的几何尺寸能有效地控制结构随机振动位移的概率分布.     

梁式结构受移动荷载作用非平稳随机振动的DQ-PEM方法

针对梁式结构受移动荷载作用的非平稳随机振动问题,提出了一种综合利用微分求积法和虚拟激励法DQ-PEM的新方法。梁式结构受移动荷载作用的振动控制方程为含Dirac函数的偏微分方程,利用微分求积(DQ)-积分求积法(IQ)法将其振动控制方程转化为不含Dirac函数的常微分方程。同时,将表示荷载位置变化的Dirac函数视为移动荷载的非平稳化函数,再结合虚拟激励法的思想,可得梁式结构在确定性荷载作用下的虚拟响应,进而得到其非平稳随机响应。通过工程算例验证了该方法的准确性与有效性,并进一步讨论了不同速度和不同边界条件下梁式结构受移动荷载作用的随机振动问题。     

广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较研究

以结构随机风振响应分析为背景,考察了线性体系在平稳风荷载激励下的随机动力反应,进行了广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较.基于物理随机系统研究框架,平稳脉动风荷载模型化为随机Fourier谱.分别以线性单自由度体系和线性多自由度体系为研究对象,比较分析了系统响应的概率密度演化解、理论平稳解和虚拟激励法解答.结果表明,分析系统有限时间内的随机动力反应,概率密度演化方法不仅能够获得渐近平稳段的稳态响应,而且能够反映响应非平稳初始效应的影响,与经典随机振动理论的虚拟激励法解答在均方特征意义上是等价的.     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.      

随机桁架结构的非平稳随机动力响应分析

本文研究了随机桁架结构在非平稳随机激励下的动力响应问题。在利用随机因子法分析随机结构动力特性的基础上，给出了一种分析随机结构非平稳随机响应的新方法。从结构非平稳随机响应的表达式出发，同时考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，导出了随机桁架结构在非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响。本文方法具有对随机结构进行一次动力分析便可求得动力响应的数字特征，且可以考察结构任一参数的随机性对结构非平稳随机响应分析结果的影响之优点。     

二频机抖激光捷联系统结构振动分析

二频机抖激光捷联系统中三个激光陀螺抖动会引起惯性器件的耦合振动,产生系统抖动耦合误差,导致惯导系统导航精度下降。二频机抖激光陀螺捷联惯导系统机械结构较为复杂,很难通过解析法求解其振动特性。作者采用有限元方法对二频机抖激光陀螺进行了正弦信号驱动下的瞬态响应分析,并在正弦信号中加入了抖动随机信号,实现了机抖激光陀螺工作状态的仿真。此外,还对二频机抖激光捷联系统的振动特性进行了瞬态响应分析,掌握了系统的耦合振动情况,并进行了功率谱分析。这为激光捷联系统的频率搭配最优化提供了分析方法,对高精度二频机抖激光捷联系统的设计有重要意义。     

连续小波变换离散化的爆炸振动特征分析

应用连续小波变换的离散化关系,针对一个改进的L-P（littlewood-paley）小波基函数,给出了一种实现频率完全分割的时频特征分析方法,并对爆炸振动时频特征进行了研究。80 kg TNT地面爆炸时地面垂向振动速度的时间能量密度分布情况表明,在质点振动峰值速度到达时刻爆炸振动的频率范围比较宽,而其他时刻的振动频率相对较为集中,时频能量分布的峰值正好对应于爆炸振动速度的峰值到达时间。基于小波变换的爆炸振动频谱特征与Fourier变换的结果具有良好的一致性。此外,还给出了利用小波变换结果建立爆炸振动随机演变理论模型的基本方法。     

Shock initiated instabilities in underwater cylindrical structures

An experimental investigation to understand the mechanisms of dynamic buckling instability in cylindrical structures due to underwater explosive loadings is conducted. In particular, the effects of initial hydrostatic pressure coupled with a dynamic pressure pulse on the stability of metallic cylindrical shells are evaluated. The experiments are conducted at varying initial hydrostatic pressures, below the critical buckling pressure, to estimate the threshold after which dynamic buckling will initiate. The transient underwater full-field deformations of the structures during shock wave loading are captured using high-speed stereo photography coupled with modified 3-D Digital Image Correlation (DIC) technique. Experimental results show that increasing initial hydrostatic pressure decreases the natural vibration frequency of the structure indicating loss in structural stiffness. DIC measurements reveal that the initial structural excitations primarily consist of axisymmetric vibrations due to symmetrical shock wave loading in the experiments. Following their decay after a few longitudinal reverberations, the primary mode of vibration evolves which continues throughout later in time. At the initial hydrostatic pressures below the threshold value, these vibrations are stable in nature. The analytical solutions for the vibration frequency and the transient response of cylindrical shell are discussed in the article by accounting for both (1) the added mass effect of the surrounding water and (2) the effect of initial stress on the shell imposed by the hydrostatic pressure. The analytical solutions match reasonably well with the experimental vibration frequencies. Later, the transient response of a cylindrical shell subjected to a general underwater pressure wave loading is derived which leads to the analytical prediction of dynamic stability.     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

爆破振动诱发民房结构损伤识别的随机森林模型

为快速、准确地评价爆破振动诱发民房结构损伤效应,借鉴随机森林理论并结合工程实际,建立露采爆破振动诱发民房结构损伤识别的随机森林模型;综合考虑爆破参数、爆破振动特征参量及房屋结构动力特性等因素,选取质点峰值振动速度、主频率、主频率持续时间、段药量、爆心距、施工质量参数、场地条件参数、屋盖形式参数、砖墙面积率、民房高度、灰缝强度和圈梁构造柱参数等12个影响因素作为模型输入,将砖混结构建筑物的损害等级作为模型输出;基于多分类器集成的思想,以108组爆破振动实测数据作为学习样本进行训练,建模过程中由多个决策树集成随机森林、用投票的方式实现对民房结构损伤有效识别;用12组现场数据验证模型的有效性;在对样本分类的同时,计算预测变量的重要性值,发现质点峰值振动速度为最重要的评价指标,其后依次为爆心距,主频率持续时间,主频率,圈梁构造柱参数,灰缝强度,屋盖形式参数,民房高度,段药量,施工质量参数,砖墙面积率和场地条件参数。研究结果表明:随机森林模型预测结果学习样本准确度是87.97%,而测试集准确度是91.67%,与实际情况吻合较好,预测精度较高。     

Frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites

The panel-type structures used in aerospace engineering can be subjected to severe highfrequency acoustic loadings in service. This paper evaluates the frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites(CMCs) under acoustic loadings. Firstly, the high-frequency random responses from the broadband random excitation will result in more stress cycles in a deinite period of time. The probability density distributions of stress amplitudes will be different in different frequency bandwidths, though the peak stress estimations are identical. Secondly, the fatigue properties of CMCs can be highly frequency-dependent. The fatigue evaluation method for the random vibration case is adopted to evaluate the fatigue damage of a representative stiffened panel structure. The frequency effect through S-N curves on random fatigue damage is numerically veriied. Finally, a parameter is demonstrated to characterize the mean vibration frequency of a random process, and hence this parameter can further be considered as a reasonable loading frequency in the fatigue tests of CMCs to obtain more reliable S-N curves.Therefore, the inluence of vibration frequency can be incorporated in the random fatigue model from the two perspectives.     

某结构的多轴随机振动实验研究

通过对某结构开展多轴随机振动试验研究,初步探讨了典型线性结构在多轴随机振动试验中的动力响应特点.首先对多轴振动试验系统、试验条件、控制方式等进行了介绍;然后通过有限元仿真了解结构的自振频率、振型和响应情况;重点对结构的多轴随机振动试验结果进行研究,具体分析了结构各测点加速度响应谱的共振峰特点;最后将多轴试验结果与单轴试验结果进行对比,并理论上解释了多轴随机振动响应不同于单轴振动的原因.研究结果表明:多轴振动试验能同时激发结构在不同方向的模态,使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰,因此对经受多轴振动环境的产品开展多轴振动试验很有必要.     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.