以Lanczos向量直接叠加法确定圆拱顶屋盖风致响应

提出以Lanczos向量直接叠加法确定大跨屋盖结构的风致响应。传统的模态叠加法中无法保证精确计算的特征向量一定能够参与动态响应。与传统模态叠加法不同,在生成正交的Lanczos向量算法中只产生在荷载展开式中有较大参与系数的向量,并用于后续的模态叠加法之中。产生第一个Lanczos向量的空间向量来自于屋盖风压场的本征正交分解(POD)。利用同步多点压力扫描技术对一个圆拱顶屋盖进行了风洞试验。利用所提出的方法分析了屋盖风致响应,并与传统方法以及采用平均风荷载作为空间向量的Lanczos向量直接叠加法进行了比较,说明了本文方法的有效性。     

Ritz-POD法的原理及应用

提出一种在频域内分析大跨度屋盖结构的风振响应的Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法(POD法)分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;根据此荷载空间分布形式生成Ritz向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以解决大跨度屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。运用该方法分析一单层球面网壳的风振响应,并与振型分解法对比,结果表明Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。     

大跨屋盖结构考虑模态耦合的等效静力风荷载

基于荷载响应相关法提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法. 该方法不 再分别计算结构的背景响应和共振响应，而是采用完全二次型组合法直接计算结构的整体动 态响应；而且这种方法能够考虑多阶模态的贡献和各阶模态响应间的耦合效应. 最后，将一 大跨屋盖结构(深圳市民中心)作为实际工程应用案例，计算了它的等效静力风荷载，并将 其与其他方法的计算结果进行比较，以验证方法的有效性.     

利用POD对双坡屋盖风压场预测

本文利用本征正交分解(POD)方法对双坡屋盖未布置测压点位置的风压时间序列进行了预测。采用线性插值及双线性插值得到预测点位置上的本征模态值。结构由原风压场协方差分析得到的主坐标和上述新本征模态值获得未布置测压点位置的风压时间序列。通过在时间域和频率域内比较预测出的风压与实测风压说明了POD在预测双坡屋盖风压场的有效性。     

模态加速度法在屋盖结构风致响应分析中的应用

对大跨屋盖结构应用模态加速度法新的表达式改进风致响应计算。推导了结构风致响应分析的模态加速度方法。对一平顶屋盖刚体模型进行了风洞试验，考虑到随机风荷载的空间相关性，试验中利用同步测量的脉动风压和结构模态获得随时间变化的广义力。对屋盖均方根响应进行了讨论，说明了本文所提方法的有效性。     

大跨屋盖结构风振响应主要参振模态确定方法研究

合理选取主要参振模态是保证大跨屋盖结构风振响应计算精度的关键问题。本文以模态空间分布与风荷载空间分布相关性强弱作为选取主要参振模态的依据,考虑到屋盖结构表面风荷载分布的不确定性,提出了通过低阶主要贡献模态间接寻找风荷载强相关高阶模态的思想,首先实现对高阶参振模态数量的缩减。在此基础上,结合低阶参振模态,通过对模态响应方差矩阵的简化处理,构造了其等效矩阵,根据等效矩阵中对角线元素定义了模态参与系数,通过该系数能够方便的实现对主要参振模态的选取。最后,通过国家体育场屋盖主结构的风振响应分析对所提出方法的有效性进行了验证。     

大跨屋盖的完全三分量等效静力风荷载Refined three components method for determining equivalent static wind loads of large span roof

惯性风荷载法物理意义不明确,传统三分量叠加法忽略背景‐共振耦合效应,本文提出一种完全三分量的等效静力风荷载方法。利用完全三分量方法研究了开孔屋盖的等效静力风荷载,研究结果表明,阵风荷载因子法除在等效节点处有较好的精确性外,其他非等效节点处的等效静力风荷载均偏离正常分布,不适宜求解大跨屋盖等效静力风荷载;完全三分量法具有明显物理意义,其背景部分可采用全模态的L RC法实现,比截断模态的惯性风荷载法更加精确;忽略背景‐共振耦合效应的传统三分量法低估等效静力风荷载10％左右,完全三分量法可考虑背景‐共振耦合效应,相应于传统三分量法更加精确。     

大跨屋盖的完全三分量等效静力风荷载

惯性风荷载法物理意义不明确,传统三分量叠加法忽略背景-共振耦合效应,本文提出一种完全三分量的等效静力风荷载方法。利用完全三分量方法研究了开孔屋盖的等效静力风荷载,研究结果表明,阵风荷载因子法除在等效节点处有较好的精确性外,其他非等效节点处的等效静力风荷载均偏离正常分布,不适宜求解大跨屋盖等效静力风荷载;完全三分量法具有明显物理意义,其背景部分可采用全模态的LRC法实现,比截断模态的惯性风荷载法更加精确;忽略背景-共振耦合效应的传统三分量法低估等效静力风荷载10%左右,完全三分量法可考虑背景-共振耦合效应,相应于传统三分量法更加精确。     

本征正交分解技术在屋盖风压场重建与预测中的应用

给出利用本征正交分解(POD)对屋盖风压场进行重建和预测的研究结果.对一个双坡屋盖用同步多点压力扫描系统进行了风洞试验,根据POD技术采用前若干阶本征模态重建屋盖风压场.采用两种方案预测未布置测压点位置的风压时间序列.第一种方案中利用插值技术获得没有测压点位置的本征模态值.第二种方案对参考屋盖和需预测的新屋盖分别进行试验,结合由参考屋盖试验萃取的本征模态和由新屋盖试验的风压数据计算的主坐标,预测出新屋盖未知区域的风压时间序列.文中对风压场重建和预测的效果作了分析,而且比较了根据测量的风压数据和预测的风压数据所计算的屋盖风致响应.     

COMPARATIVE STUDY OF THE PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF POD AND MSM

为揭示本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD) 与模态叠加法(mode superposi-tion method, MSM) 在基本原理和工程应用中的异同,对POD 和MSM 的数理基础进行了对比性分析;通过风洞试验及动力响应时程分析获得了一座冷却塔的表面脉动风载荷及其脉动响应,以此两个时空随机场为例对POD 和MSM 两种方法的应用进行了对比性阐述. POD 和MSM 均通过引入空间模态和相应的时间坐标,经线性叠加来实现对时空随机场的分解与重建,但两者的应用对象并不一致:前者多用于已知随机载荷场的分析而后者多用于未知结构响应的计算. 两者空间模态和时间坐标的提取方法和数理意义以及各模态对原随机场的贡献等亦不相同. 尽管POD 和MSM 两种方法所得空间模态均有正交性,但时间坐标的正交性仅存在于POD 方法,故POD 各阶模态的本征值之和可以完全反应对原随机场的贡献,而MSM 的模态贡献则存在一定的耦合性.     

计算结构特征值问题的一种改进LANCZOS算法

本文提出了一种不同于块Lanozos方法的多个初始向量参加反迭代的改进Lanczos算法,它保留了Lanczos算法的优点同时保证了对重根的收敛.对算法进行了误差分析.算例表明本算法比块Lanczos算法更有效,     

弹性力学的一种正交关系

在弹性力学求解新体系中，将对偶向量进行重新排序后，提出了一种新的对偶微分矩阵，对于有一个方向正交的各向异性材料的三维弹性力学问题发现了一种新的正交关系．将材料的正交方向取为z轴，证明了这种正交关系的成立．对于z方向材料正交的各向异性弹性力学问题，新的正交关系包含弹性力学求解新体系提出的正交关系。     

Sensitivity analysis based on Lanczos algorithm in structural dynamics

IntroductionTheproblemforcomputingeigenpairderivativeshasoccupiedmanyresearchersinthepastseveraldecades.SurveypaperbyAdelmanandHaftka[1]isanexcellentintroductiontothetopicandalsoindicatevariousdisciplinesofapplications.Thereasonwhysomanypeopleareinterestedinthisproblemisthatsensitivitiesplayaveryimportantroleinstructuraldynamics,optimalanalysisandcontrolsystemdesign ,andmayalsobeanexpensiveandtime_consumingtask.Researchonsensitivityofmultipleeigenvalueshasbeenanareaofsignificantinterestinrece…     

Finite-Element Solution of Linear Nonstationary Dynamic Problems for Shell Structures

An analysis is made of the efficiency of applying a reduced basis of Lanczos vectors to the finite-element solution of nonstationary dynamic problems. The algorithm developed was implemented in a computer code, which is used here to perform the analysis. The numerical experiments demonstrate the rapid convergence and high efficiency of mixed reduced basis of vibration modes and Lanczos vectors in nonstationary dynamic problems for shell structures.     

各向同性弹性力学求解新体系正交关系的研究

在弹性力学求解新体系中,将文献[3]对偶向量进行重新排序后,提出了一种新的对偶微分矩阵L,对于各向同性3维弹性力学问题发现了一种新的正交关系,文中证明了这种正交关系的成立,对于各向同性问题,新的正交关系包含文献[3]的正交关系。     

薄板理论的正交关系及其变分原理

利用平面弹性与板弯曲的相似性理论，将弹性力学新正交关系中构造对偶向量的思路推广到 各向同性薄板弹性弯曲问题，由混合变量求解法直接得到对偶微分方程并推导了对应的变分 原理. 所导出的对偶微分矩阵具有主对角子矩阵为零矩阵的特点. 发现了两个独立的、对称 的正交关系，利用薄板弹性弯曲理论的积分形式证明了这种正交关系的成立. 在恰当选择对 偶向量后，弹性力学的新正交关系可以推广到各向同性薄板弹性弯曲理论.     

A new appraoch of the dynamic substructure method

Researches show that there exists a modal transformation matrix which is similar to that of the fixed interface method in form but slightly different from that in content. Using the constrained modes and normal modes or Lanczos vectors, a new modal transformation developed from hybrid method is given, in which the interface forces are replaced by interface displacements. The first synthesis equations are assembled easily as with the fixed interface method, yet the interface coordinates can be further eliminated as with the free-interface method. The new method unifies the fixed- and free-interface methods as well as hybrid method,permitting easy implementation of the Lanczos vectors to replace normal modes so that only static modes are calculated. The dynamic substructure method thus becomes more flexible and efficient. This reveals the interrelations of various dynamic substructure methods. New formula for modal analysis and modal synthesis are developed and three examples are given for illustration.Supported by Doctoral Training Foundation of State Education Commission and NNSF of China.     

特征函数展开解法的研究

以常微分方程的理论为基础,利用新的对偶变量、对偶微分矩阵和正交关系,以单连续坐标弹性体系为例,建立了与弹性力学求解新体系平行的特征函数展开解法．并将正交关系应用于可对角化边界条件的处理,实现了求解待定系数方程组的解耦,求得问题的显式封闭解．     

A modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems

In this paper a theory of modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems is presented. A pair of generalized eigenvalue equations with three real symmetric matrices and their relationships are derived from the finite element equations in the form of structural displacements and fluid velocity potential. Generalized orthogonality relations of modal vectors are then developed. The response of the system to external excitation is derived in closed form by modal expansion. Two examples of the solution are given for illustration.