移动简谐荷载作用下桥梁响应的高效计算

在计算移动荷载过桥问题中广泛使用的Newmark方法必须在每一时间步内限制荷载的大小和作用位置都不能改变。精细积分法虽然允许荷载的大小在每一时间步长内发生变化,但是仍假定其作用位置是不变的,未能采取措施以描述荷载沿着桥面的连续移动性。本文提出三种精细积分格式,在每一时间步内不但允许移动荷载的大小按简谐规律连续变化,而且模拟了简谐荷载在空间域的连续移动。通过与Newmark方法和简单问题的解析解进行数值比较,表明用本文提出的方法可以用较粗的结构单元和较大的时间步长而获得很高的计算精度。在精度相同的前提下,计算效率比Newmark方法可提高1~2个数量级。     

结构动力响应精细时程法的一种并行算法

结构动力响应精细时程法的并行算法分为两类：基于特解的并行算法和基于直接积分法的并行算法;后者因为不需知道荷载的具体形式而更具应用价值。精细时程法的时程积分由齐次方程的通解和非齐次项的积分构成,基于直接积分法的并行算法很好地并行了非齐次项的积分,而对通解项采用串行计算。设计了一种不均衡步数的负载分配策略,能够减少处理器等待自身初值的时间,相对均衡步数的分配策略,能够获得更高的加速比,给出了相应的证明和算例验证。     

一种广义精细积分法

提出了求解非齐次动力方程特解的一种精细数值积分法,该方法与通解精细积分法具有相同精度. 首先选取一个积分形式的非齐次方程特解,将积分区域划分为2$^{N}$份,并对之进行精细的数值积分;然后针对载荷为多项式、指数函数及三角函数的情况,将积分求和转化为一个递推过程,按此只需$n$次矩阵乘法就能计算出积分和,从而得到非齐次方程的特解. 该方法的优点是能与通解的精细积分过程有机地结合起来,具有极高的精度和效率,同时还具有较广泛的适用范围. 算例结果证明了该方法的有效性.     

任意激励下结构动力响应的状态方程精细积分法

对只有弹性模态以及除此之外还有刚体模态的结构的瞬态响应给出了精细积分的通用公式，从而使得该方法不仅可以处理线性激励的情形，而且对激励是多项式形式或可以展开成多项式的激励也同样能够计算。对于非线性激励，只要可以用关于自变量的级数形式来近似表示，都可以用本文所给的方法进行计算，计算的精度可以通过变化级数的项数来调整。     

带式浮桥在不同移动荷载作用下的动力响应分析

为分析浮桥上移动荷载的重量与移动速度对浮桥动力响应的影响,应用有限元方法将控制方程进行离散,得到系统的运动方程,通过编写相应的计算程序求解了浮桥的位移响应,并利用有限元软件对已求解出的位移响应进行后处理,分别得到了不带铰浮桥和带铰浮桥在不同荷载重量、不同荷载移动速度下的内力响应曲线.数值模拟结果表明:随着荷载重量和荷载移动速度的增加,浮桥的位移和应力也随之增加;当移动荷载的重量和移动速度相同时,带铰浮桥的应力比不带铰浮桥大得多,当230kN的荷载分别以1m/s、5m/s、10m/s、20m/s的速度移动到浮桥中点时,带铰浮桥的最大应力比不带铰浮桥分别大114%、117%、108%、111%.因此,将浮桥简化为连续梁用平均刚度法求解出位移响应后,不能直接求解应力,应当考虑铰对浮桥动力响应的影响,否则求解出的应力偏小,不利于浮桥安全系数的计算.     

车辆荷载作用下桥梁动力效应的研究

本文用有限元理论，研究了在车辆荷载作用下桥梁结构动力响应问题，考虑了多轴及多个车辆作用于多种支承条件下的桥梁，文中用超单元法建立车辆荷载的运动方程：用三次插值函数建立桥梁结构的运动方程；然后利用振型叠加，对桥梁结构的运动方程进行坐标变换，再选用逐步积分法进行求解。     

计算结构动力响应的状态方程直接积分法

利用钟万勰等发展的指数矩阵精细算法,提出了状态方程直接积分法。它能适用于确定情形各种激励作用下系统的动力响应分析;与分段等效线性化方法相结合,也可用于某些非线性系统的响应计算。算例表明,状态方程直接法具有精度高、不受时间步长的严格限制等特点。     

结构动力方程的样条精细积分法

结合精细积分法和样条函数拟合技术的优点,提出了求解结构动力方程的一种有效方法.首先对非齐次项用三次正规化B样条函数进行拟合,然后利用正规化B样条函数形状相同、仅相差一个平移量的特点,构造了一个高效的特解求解方法.按此方法只需求出一个标准B样条项所对应的特解,然后通过时间坐标的平移并结合叠加原理,即可求出任意时刻的特解值.由于特解计算中采用数值积分的方法,避免了矩阵求逆,因而本方法具有较大的适用范围.算例结果证明了该方法的有效性.     

桥梁结构移动平稳随机荷载识别新方法

移动的平稳随机荷载对简支梁的作用,相当于固定的调制函数已知的非平稳随机荷载对简支梁结构的作用.本文以此为基础,研究了移动平稳随机荷载的识别问题.首先基于虚拟激励法的思想,利用特征值分解及奇异值分解技术,由虚拟位移响应反演虚拟广义坐标,有效地避免了矩阵求逆,得到高精度的广义坐标谱;同时利用Wiener-Khintchine关系及Duhamel积分,由广义坐标谱值反演得到平稳随机激励谱密度.仿真算例表明,只要适当地选取参振振型及测点位置,本文方法可以有效地识别桥梁结构的移动平稳随机荷载.     

基于切比雪夫拟谱法的移动荷载作用下简支梁动力响应计算

采用切比雪夫拟谱法求解移动荷载作用下简支梁的动力响应问题,该方法通过重新选取插值点的方式并借助转换矩阵对边界条件进行施加,对集中荷载采用高斯函数法进行正则化处理。将本文方法计算结果与解析解和有限元解进行比较,结果表明,在划分较少单元数量时,采用本文方法计算结果与解析解吻合良好,求解效率高于有限元方法。采用本文方法对Dirac函数的正则化参数σ_n进行敏感性分析,结果表明,当在±3σ_n范围内布置配点数6~10个时,计算结果能取得较好的精度。     

移动车辆作用下弹性基础无限长梁的动力响应

通过坐标变换方法,研究了匀速移动的车辆对弹性基础无限长梁的动力响应,给出了位移和内力的计算方法,将车辆简化为移动力,移动质量,移动的振动质量三种模型,比较了它们对梁的影响,对某型带式舟桥的数值分析表明,振动质量模型较合理,给出了浮桥计算时,动力放大系数的建议值     

随机结构动力反应分析的概率密度演化方法

提出了随机结构动力反应分析的概率密度演化方法．基于有限单元法基本原理,导出了含有随机参数的结构反应状态方程,进而,通过引入扩展状态向量,建立了随机结构反应的概率密度演化方程．将精细时程积分方法与Lax-Wendroff差分格式相结合,探讨了求解概率密度演化方程的数值方法．对一个8层层间剪切型随机结构进行了算例分析,并与Monte Carlo方法的结果进行了比较．研究表明,随机结构反应的概率密度具有演化特征,且概率密度曲线与正态分布差异甚大,甚至可能出现双峰曲线．     

A combined parametric quadratic programming and precise integration method based dynamic analysis of elastic-plastic hardening/softening problems

The objective of the paper is to develop a new algorithm for numerical solution of dynamic elastic-plastic strain hardening/softening problems. The gradient dependent model is adopted in the numerical model to overcome the result mesh-sensitivity problem in the dynamic strain softening or strain localization analysis. The equations for the dynamic elastic-plastic problems are derived in terms of the parametric variational principle, which is valid for associated, non-associated and strain softening plastic constitutive models in the finite element analysis. The precise integration method, which has been widely used for discretization in time domain of the linear problems, is introduced for the solution of dynamic nonlinear equations. The new algorithm proposed is based on the combination of the parametric quadratic programming method and the precise integration method and has all the advantages in both of the algorithms. Results of numerical examples demonstrate not only the validity, but also the advantages of the algorithm proposed for the numerical solution of nonlinear dynamic problems. The project supported by the National Key Basic Research Special Foundation (G1999032805), the National Natural Science Foundation of China (19872016, 50178016, 19832010) and the Foundation for University Key Teacher by the Ministry of Education of China     

基于精细积分技术的非线性动力学方程的同伦摄动法

将精细积分技术（PIM）和同伦摄动方法（HPM）相结合,给出了一种求解非线性动力学方程的新的渐近数值方法。采用精细积分法求解非线性问题时,需要将非线性项对时间参数按Taylor级数展开,在展开项少时,计算精度对时间步长敏感;随着展开项的增加,计算格式会变得越来越复杂。采用同伦摄动法,则具有相对筒单的计算格式,但计算精度较差,应用范围也限于低维非线性微分方程。将这两种方法相结合得到的新的渐近数值方法则同时具备了两者的优点,既使同伦摄动方法的应用范围推广到高维非线性动力学方程的求解,又使精细积分方法在求解非线性问题时具有较简单的计算格式。数值算例表明,该方法具有较高的数值精度和计算效率。     

A HYBRID GRANULARITY PARALLEL ALGORITHM FOR PRECISE INTEGRATION OF STRUCTURAL DYNAMIC RESPONSES

Precise integration methods to solve structural dynamic responses and the corresponding time integration formula are composed of two parts： the multiplication of an exponential matrix with a vector and the integration term. The second term can be solved by the series solution. Two hybrid granularity parallel algorithms are designed, that is, the exponential matrix and the first term are computed by the fine-grained parallel algorithra and the second term is computed by the coarse-grained parallel algorithm. Numerical examples show that these two hybrid granularity parallel algorithms obtain higher speedup and parallel efficiency than two existing parallel algorithms.     

DYNAMIC RESPONSE OF A DOUBLE-LAYERED SUBGRADE WITH ROCK SUBSTRATUM TO A MOVING POINT LOAD

In this paper, an analytical solution for the dynamic response of a double-layered subgrade with rock substratum to a moving point load is derived. The subgrade profile is divided into two layers. The upper layer is modeled by an elastic medium and the lower layer by a fully saturated poroelastic medium governed by Biot’s theory. In the meanwhile, the subgrade is resting on the rock substratum. The analytical solutions for stress, displacement and pore pressure are derived by using the Fourier transform. Numerical results obtained by using the inverse fast Fourier transform (IFFT) are used to analyze the influence of the moving load velocity, the thickness of an elastic medium layer and a fully saturated poroelastic medium layer on the dynamic response.     

移动荷载作用下层状饱和土的动力响应

针对地面摩擦效应在工程车辆载荷作用下的动力响应问题,提出了一个考虑摩擦效应的三维计算模型和实用计算方法。通过将地面和地基土体视为半无限弹性体,并利用Dirac-delta函数和Heaviside函数描述矩形移动载荷,采用三重Fourier变换以及降阶法进行求解并进行算法验证及动力响应分析。研究显示,摩擦效应减弱了矩形移动载荷对地面的纵向振动位移影响,而对横向振动及振动频率分布无显著影响。当土层厚度超过10 m后振动影响基本消失,且载荷移动速度是影响振幅和频率分布的关键因素。

     

基于精细积分方法的多自由度结构动态荷载辨识研究

荷载的辨识问题研究在动力分析和应用中具有重要意义.本文利用Gauss三点积分公式对载荷辨识公式进行推导,结合精细时程积分法和线性载荷假设对载荷辨识问题进行时域分析.概念明确、算法清晰简单的直接算法由此提出.经仿真检验该方法具有有效性和实用性.