波动方程的精细逐步积分法

应用现有的波动方程求解方法解决工程实际问题尚存在一定的局限性。本文在结构动力方程精细逐步积分的基础上,提出了波动方程初边值问题的精细逐步积分法,并分别给出了不同边界条件下的精细逐步积分格式。此数值方法虽然是显式积分方法,却是无条件稳定的。分别用精细逐步积分法和其它已有的方法对两个算例进行了计算,一个是有解析解的例子,该例验证了此方法的准确性,另一个例子是求解由波动方程及初始条件和边界条件组成的有杆抽油系统预测模型,此例验证了精细逐步积分法的高效性。     

基于二阶系统解耦的精细积分格式下动载荷时域识别

基于模态分析法的载荷识别方法利用模态矩阵获得系统的非耦合形式,推导单自由度系统的载荷识别公式,但要求系统为比例阻尼。在模态模型基础上,对一般系统建立基于二阶系统解耦的动载荷时域识别模型。首先,利用基于Lancaster结构的二阶系统解耦方法推导出系统的非耦合形式;然后,采用精细逐步积分方法,在载荷为阶跃力的假设下,推导出载荷识别数学公式;最后,由系统实时响应反求结构载荷的时间历程。数值算例验证了本文方法针对比例阻尼系统较模态模型具有更高的精度,而且对非比例阻尼系统也有效可行。     

非线性度对修正双步长显式法及常用逐步积分法的影响

为了掌握非线性度对逐步积分法的影响,研究了几种积分算法在不同非线性度振动系统中的响应。通过3个典型非线性算例,对修正双步长显式法、蛙跳式中心差分法、Newmark法、广义α法和精细积分法的计算精度和稳定性能等进行了比较。结果表明:非线性度对广义α法、精细积分法和Newmark法的稳定性有影响;高非线性度对Newmark法的计算稳定性影响最大;时间步长越小,算法精度和计算量越高;相同小步长情况下,精细积分法的精度最高,而修正双步长显式法的计算量最小;在时间步长较大时,低非线性度会引起精细积分法不稳定,修正双步长显式法的精度最高,修正双步长显式法在非线性系统中具有很强的鲁棒性。     

大型结构动力响应的状态方程的Krylov精细时程积分法

提出了一种新的精细时程积分法来求解大型动力系统.结合Krylov子空间法、培德级数近似以及一般载荷的维数扩展法,进一步提高精细时程积分法的计算效率.利用维数扩展法避免计算微分方程特解,并可处理任意载荷.对于大型动力系统,通过Krylov子空间的降维分析将问题转化到一个子空间,计算效率得到极大提高.对于迭代次数N的选择作了详细讨论,进一步提高了计算效率.     

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提出了一种新的精细时程积分法来求解大型动力系统. 结合Krylov子空间法、培德级数 近似以及一般载荷的维数扩展法,进一步提高精细时程积分法的计算效率. 利用维数扩展法 避免计算微分方程特解,并可处理任意载荷. 对于大型动力系统,通过Krylov子空间的降维 分析将问题转化到一个子空间,计算效率得到极大提高. 对于迭代次数$N$ 的选择作了详细讨论,进一步提高了计算效率.     

精细时程积分法及其数值衍生格式应用评估

旋翼气动弹性耦合动力学方程本质上是一组刚性比较大的非线性偏微分方程。在有限元结构离散后，可改写为非齐次微分方程组，其中非齐次项是桨叶运动量（位移与速度）和气动载荷的函数。针对这类方程，本文尝试引入精细积分法及其衍生格式，借助数值方法计算Duhamel积分项。从积分精度与数值稳定性方面比较研究具有代表性的精细库塔法和高精度直接积分法。结合隐式积分算法，评估精细积分法应用于旋翼动力学方程的可行性。算例表明，精细积分法对矩形直桨叶动力学方程具有足够的求解精度。     

精细时程积分法及其数值衍生格式应用评估

旋翼气动弹性耦合动力学方程本质上是一组刚性比较大的非线性偏微分方程。在有限元结构离散后,可改写为非齐次微分方程组,其中非齐次项是桨叶运动量(位移与速度)和气动载荷的函数。针对这类方程,本文尝试引入精细积分法及其衍生格式,借助数值方法计算Duhamel积分项。从积分精度与数值稳定性方面比较研究具有代表性的精细库塔法和高精度直接积分法。结合隐式积分算法,评估精细积分法应用于旋翼动力学方程的可行性。算例表明,精细积分法对矩形直桨叶动力学方程具有足够的求解精度。     

用光力学和有限元法确定钢壳的动态响应

本文提出了壳体在冲击载荷作用下三维位移分布的光力学方法的实验解和有限元数值解。采用一种新型的电磁脉冲加载装置,实现了对试件施加重复性很好的冲击载荷,利用测得的力一时间关系曲线作为外力边界条件,用逐步积分法对壳体在冲击载荷下的动态响应作了分析。光力学方法的实验解和有限元数值解吻合较好。     

动载荷识别的广义域模态模型及其精度分析研究

基于广义域模态模型提出了一种仅用系统响应输出识别动态载荷的方法。以系统中的其它点作激励点来代替常常为不可达的实际载荷作用点，通过辨识得到系统模态参数并在模态和物理两种坐标下对动态载荷作出估算，从而避免通常对系统修改结构或改变边界条件而导致的识别误差。对该模型的误差传播牧场性与识别精度分析结果表明该方法能适用于工程实际动载荷测量。     

结构动力方程的精细与差分耦合时程积分法

提出一种将精细积分法与Newmark-β法耦合起来的结构动力学时程积分方法．该方法通过引入Newmark-β法的基本假设，将加速度分量从动力学方程中消去，动力学方程由二阶常微分方程组变为一阶常微分方程组，然后再用精细积分法进行逐步积分．与直接应用精细积分法相比，方程的个数可以减少一半．该文对这种方法进行了理论推导和算例验证，表明了该方法在结构动力分析中的有效性．     

一种直接求解的动态载荷识别方法

基于直接求解系统方程的位移响应,提出了一种时域内动态载荷的识别方法.该方法从中心差分格式的有限元离散形式出发,进行分块矩阵变换,将载荷识别问题转化为一个虚构系统方程的响应求解问题.通过数值算例,用两种不同形式的载荷检验了该方法的识别能力,分析了有无零相位滤波器对识别结果的影响.结果表明:所提出的载荷识别方法在位移响应数据含有噪声的情况下,能有效稳定地实现载荷识别;且计算简单快捷,抗噪能力强,不需进行模态分解,不存在模态截取等问题.     

A biem optimization method for fracture dynamics inverse problem

In the present paper, based on the theory of dynamic boundary integral equation, an optimization method for crack identification is set up in the Laplace frequency space, where the direct problem is solved by the author's new type boundary integral equations and a method for choosing the high sensitive frequency region is proposed. The results show that the method proposed is successful in using the information of boundary elastic wave and overcoming the ill-posed difficulties on solution, and helpful to improve the identification precision. The project supported by Foundation of the National Post-Doctoral Committee.     

动态环境下光纤陀螺误差辨识与补偿技术

为了提高光纤陀螺在高动态环境下的测量精度,需要精确地辨识角加速度信息以便有效地补偿。针对直接对陀螺的角速度信息微分处理后得到角加速度的方法误差较大的问题,提出了将微分后的角加速度信息分为线性和非线性两个部分,其中线性部分采用Savitzky-golay最小二乘拟合,而非线性部分则采用RBF神经网络技术进行拟合。上述处理方法能更真实地反映实际物理过程,具有较强的自适应性和较好的拟合效果。通过试验验证,证明了该方法的有效性和准确性,提高了角加速度辨识精度,比直接微分的方法测量精度提高二个数量级,有效地补偿了陀螺仪在高动态环境下的测量精度。     

一种基于比例反馈控制原理的动载荷时域反演方法

通过借鉴系统控制论中的比例反馈控制原理,提出了一种新的结构动载荷时域反演方法.该方法在原开环系统的输出与结构模型之间连接一个虚拟的比例反馈增益,使得原来的开环系统成为一个虚拟的闭环反馈控制系统,系统控制信号为实测的结构加速度响应.反馈控制器将系统输出与控制信号之闻的差值进行放大后作为反馈不断输入到结构模型中,直到差值趋于稳定,此时该差值与反馈增益的乘积经过高通滤波后即得到所反演的动态载荷.该方法将载荷反演问题的求解转化为正问题中的结构瞬态响应求解,采用一般的数值解法如New-mark法即可实现,因此计算比较简便迅速.该方法仅需要测量结构的加速度响应即可进行反演,便于实际应用,而且并不十分依赖于真实的初始条件,由于不存在误差累积的现象,反演结果具有较好的稳定性.最后,通过海洋平台结构冰载荷反演的模型实验和数值仿真证明了该方法的有效性.     

Study on spline wavelet finite-element method in multi-scale analysis for foundation

A new finite element method （FEM） of B-spline wavelet on the interval （BSWI） is proposed. Through analyzing the scaling functions of BSWI in one dimension, the basic formula for 2D FEM of BSWI is deduced. The 2D FEM of 7 nodes and 10 nodes are constructed based on the basic formula. Using these proposed elements, the multiscale numerical model for foundation subjected to harmonic periodic load, the foundation model excited by external and internal dynamic load are studied. The results show the pro- posed finite elements have higher precision than the tradi- tional elements with 4 nodes. The proposed finite elements can describe the propagation of stress waves well whenever the foundation model excited by extemal or intemal dynamic load. The proposed finite elements can be also used to con- nect the multi-scale elements. And the proposed finite elements also have high precision to make multi-scale analysis for structure.     

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。     

Bending tests to estimate the axial force in slender beams with unknown boundary conditions

This paper presents a static method for the axial load identification of slender prismatic beams with uncertain length and unknown boundary conditions as is typical of struts and ties of truss structures or tie-rods of arches and vaults. The proposed method requires the knowledge of the beam flexural rigidity only. Flexural displacements or curvatures are measured at five cross sections of the beam subjected to an additional concentred lateral load. Unlike analogous dynamic methods, any set of experimental data may be used in the identification algorithm. The proposed algorithm is verified by means of many numerical and experimental tests on beams having different boundary conditions. Excellent estimates of the axial forces are obtained when the greatest possible distance between sensors is adopted, even if in the presence of high values of the axial forces very accurate displacement measurements are required.     

连续梁在周期荷载下的动力稳定性简化分析方法

对于一般任意支撑的连续梁结构动力稳定性问题，已有的计算方法求解过程都很复杂，给工程设计带来极大的不便．本文提出了一个简化的分析方法，利用现有的商业软件，只需求得连续梁的自然频率及静力屈曲（失稳）荷载，就可容易得到结构的动力失稳区域，当考虑结构阻尼对不稳定区域的影响时，可将阻尼矩阵表达为Rayleigh阻尼的形式．研究结果表明：采用本文计算方法与已有的理论计算方法得到的连续梁主参数共振的不稳定边界非常吻合，而本文计算方法更为简单，计算结果可靠，计算精度高，可满足工程设计的需要．     

未知集中荷载和风荷载共同作用下的结构识别问题研究

对同时作用有未知集中荷载和未知风荷载的剪切型结构的参数识别问题进行了研究。首先提出了直接消去法以解决顶部作用有集中未知荷载时程的剪切型结构的识别问题。对于仅作用未知风荷载的情况，使用简洁的直接代入方法识别结构参数。继而对同时作用有以上两种未知荷载的情况进行了研究。当相邻层的风载时程在时域上完全相关的假定成立时，结合直接消去法和直接代入法在识别出所有结构参数蹬同时反演出未知的集中荷载时程和风荷载时程。文后以文章的最后用仿真算例验证了所提算法的正确性，并对测量噪声对识别结果的影响进行了讨论。     

动荷载反分析的模态选择方法

提出了动态载荷识别中新的确定模态的准则与实施方法.提出了模态选取概念,在此基础上提出了反分析中模态选取的准则,并给出了相应的公式.大量算例表明,采用该文准则和公式可以防止因模态选取不当而产生的伪解,避免计算中的数值病态,明显提高了动态载荷识别的成功率和精度.