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.     

基于疲劳传感器的大型桥梁载荷谱检测研究

提出基于同一倍增器上双疲劳计的桥梁载荷谱检测方法,将疲劳传感器上两个疲劳计以不同方向粘贴得到不同放大系数,由恒幅标定数据和等效原理用插值方法得到复杂加载下疲劳响应计算方法,并根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,得到该分布下的疲劳响应计算方法.采用倍增器的双疲劳计结构设计,利用疲劳计响应的非线性特性,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系.本文疲劳试验表明,试验载荷谱与预测载荷谱相当吻合,所设计的疲劳传感器性能良好,能够满足桥梁疲劳载荷检测要求.该传感器的检测原理提供了一种新的工程疲劳检测方法,它较目前采用的其它方法效率高、精度好,适用于长期疲劳监测.     

基于线性多点逼近方法的结构局部非线性损伤识别

结构损伤通常伴随一定的非线性响应特征,当非线性特征较为明显时,单纯的有限元更新方法无法克服本身所固有的非线性特征的限制,在动力特性测试中也存在许多困难.本文研究时域内损伤识别方法,将局部非线性结构损伤等效为一个的附加子结构,基于线性多点逼近方法,将一个非线性损伤识别问题转化为作用于线性模型的载荷识别问题.通过结构非线性响应识别出等效附加力的时间历程,利用附加子结构的输入输出特性识别实际结构的单元损伤特性.在所提出的识别方法理论算法基础上,对单元刚度线性损伤和非线性损伤形式进行了数值模拟,算例显示这种方法的有效性.     

Hahn-Tsai复合材料的非线性杂交应力有限元方法

成功建立了Hahn-Tsai复合材料模型的非线性杂交应力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法求解结构的非线性位移方程。在迭代过程中,为了提高计算效率可采用简单迭代法由节点位移求解单元应力场。但是,当载荷增加到一定程度以后,非线性应力场由于循环迭代而无法收敛,显然,一般的加速方法不能解决这种循环迭代的发散问题。因此,本文发展了一种确实有效的非线性应力场迭代新方法,在不增加计算工作量的情况下,不仅极大地提高了收敛速度,而且对于较大载荷也能够很好地收敛,从而解决了大载荷下非线性杂交元方法失败的关键问题。数值算例表明该方法是确实可行的。     

挖掘机工作载荷谱识别方法研究

为了快速准确地识别挖掘机等工程机械的工作载荷谱，基于时域内动应变响应与载荷的关系，提出一种新的工作载荷谱识别方法．首先，采集工作中的挖掘机结构上若干测点工作应变谱；其次建立有限元模型，通过有限元方法计算挖掘机在各种可能外载的单位载荷下的应变；最后，建立实测响应与数值模拟测点单位应变之间的关系，通过时间迭代求解结构响应与载荷间关系的线性方程组得到工作载荷谱．为说明方法的实用性和有效性，通过在结构上选择的7个基底测点的假设应变谱和数值模拟单位应变，获得挖掘机样机的工作载荷谱．文章最后讨论了在本文所提方法基础之上求解结构关键位置疲劳应力的方法．     

基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征. 为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响, 利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模. 在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响. 最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响. 上述结果可以为结构优化提供技术支持.      

单桩横向非线性惯性响应简化分析计算方法

根据已建立的地基土-单桩系统横向非线性动力相互作用的简化分析模型,在动力Winkler模型的基础上,研究单桩横向非线性惯性响应。简化模型中．地基土对桩轴的横向非线性作用力．由非线性迟滞退化弹簧模拟,地基土在运动过程中的能量耗散,由与弹簧并联的粘壶模拟。利用有限元空间离散技术和Newmark-β法,讨论了横向惯性荷载作用下．单桩运动方程在时域中的求解方法。计算结果表明,该模型能够反映单桩非线性惯性响应的主要特征。能够揭示各种非线性因素,如：桩周土的迟滞效应、退化、屈服,以及土-桩界面的分离等,对单桩惯性响应的影响。计算结果与试验结果相当吻合。     

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆, 并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分 析思想, 提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法. 该方法以双自由度车体模 型的质量为变量, 通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量 (载荷), 避免了识别载荷时常遇到的病态问题, 对噪声鲁棒性强, 且需要传感器信息少. 每步优化 中, 利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念, 无需时时重构车-桥耦合系统的时 变系统参数矩阵, 显著提高了计算效率. 利用数值框架梁模型, 通过比较不同车辆简化模型 对移动体质量及等效移动载荷的识别效果, 验证了该方法的可行性和有效性, 即使在5% 的噪声影响下, 利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.     

车-桥耦合系统动力学建模与响应分析

车辆行驶过桥时,车与桥之间存在相互耦合作用.本文根据车的三种简化模型,分别建立了车与桥结构相互耦合作用的动力学模型,并给出桥结构在两轴车载荷作用下的动响应计算方法,该方法很容易推广到更一般的多轴车载荷作用的情况.文中通过数值算例计算了基于车的三种简化模型桥梁的响应,将三种计算结果与实验数据比较,证明二自由度的车简化模型为最优,此时桥梁的弯矩响应与实验结果能较好地吻合.     

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能. 在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用. 从20 世纪80 年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解. 然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程. 本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验. 最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.      

非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤．提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛．数值算例表明该方法是确实可行的．     

空间杆系与叠层板组合结构的非线性稳定分析

本文用非线性有限元法研究一种空间杆系与复合材料叠层板组合结构的非线性稳定问题。将杆系离散成空间梁柱单元，将复合材料叠层板离散成复合材料叠层板单元，并考虑了几何非线性和板的成层正交各向异性性质。为了获得较高的计算效率并顺利通过稳定临界点，求解非线性平衡方程采用了变增量步长和柱面弧长法迭代策略。在考证了程序的正确性之后，具体分析了几个工程模型，得出了于工程设计有益的结论。     

雨载作用下浮顶结构有限元分析的载荷修正法

浮顶结构的受力与变形之间存在着非线性的耦合关系,这给计算分析带来了很大的麻烦。为了解决这一问题,本文提出了单盘式浮顶结构在雨水载荷作用下有限元分析的载荷修正计算方法。通过对浮顶结构力学模型的分析,建立了浮顶结构载荷与单盘挠度之间的关系式,并基于这一关系式给出了浮顶结构有限元分析的载荷修正法和相应计算方案。载荷修正法的基本思想是,首先利用有限元方法对浮顶结构进行几何大变形非线性分析,然后通过迭代修正来调整载荷大小,使得计算得到的载荷与挠度满足给定关系式,最终获得浮顶结构的变形与受力情况。最后,将计算结果与试验结果进行了比较,验证了本文提出的计算方法的有效性和可靠性,为浮顶结构的进一步有限元分析打下基础。     

非线性复合材料的一种杂交应力有限单元方法

建立了非线性复合材料模型的杂交应力有限元方法,并在材料主坐标系下提出直接方法计算单元非线性应力场,然后由此计算单元切线刚度矩阵和剩余载荷并转换到整体坐标系下,利用Newton-Raphson方法进行结构的位移迭代。在Hahn-Tsai非线性复合材料杂交元分析中,由位移和应力方程所导出求解单元非线性应力场的简单迭代法是条件收敛的,对较大载荷当迭代位移增加到一定程度以后无法得到应力收敛解。但是,利用本文提出的直接法由于完全避免了非线性应力场迭代,不仅很好地解决了这一问题,而且极大地提高了计算效率。数值算例说明该方法是确实有效的。     

多层迭代法及其在材料非线性有限元法中的应用

本文对于迭代法提出一种基本思想类似于多层网格法的快速算法——多层迭代法,并把它初步应用于材料非线性的有限元计算中.计算实例表明:这种方法在加速迭代收敛,减少迭代次数及缩短计算时间上具有良好的效果.     

主动约束层阻尼梁的数值模型

为对主动约束层阻尼结构建立精确完善的数学模型，采用有限元建模，并考虑到压电材料的机电耦合效应和粘弹性材料的本构关系随温度、频率的变化而变化的特点，将有限元方法与粘弹性材料的GHA模型相结合，从而避免因粘弹性材料导致的非线性微分方程，能直接求解模态频率、模态阻尼及结构响应。为进一步设计控制器，先在物理空间进行动力缩聚，将系统降至适当的维数，然后在状态空间用鲁棒防阶的方法进一步降阶。这样既能大大降低系统维数，又能保证降阶后系统稳定、可控、可观。这对于重量轻、柔度大、低频密集的大型空间柔性结构尤其重要。     

FINITE ELEMENT DISPLACEMENT PERTURBATION METHOD FOR GEOMETRIC NONLINEAR BEHAVIORS OF SHELLS OF REVOLUTION OVERALL BENDING IN A MERIDIONAL PLANE AND APPLICATION TO BELLOWS (Ⅰ)

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＢｅｌｌｏｗｓ,ａｓｈｅｌｌｏｆｗｒｉｎｋｌｅｄｍｅｒｉｄｉａｎｏｆｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ,ｈａｓｂｅｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｕｓｅｄｉｎｍｏｄｅｒｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｓａｎｅｌａｓｔｉｃ＿ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｎｄａｆｌｅｘｉｂｌｅｊｏｉｎｔ.Ｔｈｅｆｏｒｍｅｒｉｓｕｓｕａｌｌｙｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｔｉｔｓｅｎｄｓ,ａｎｄｔｈｅｌａｔｔｅｒｍａｙｐａｒｔｌｙｅｎｔｅｒｉｎｔｏｐｌａｓｔｉｃｓｔａｔｅ .Ｈｅｎｃｅ ,ｂ…     

Nonlinear numerical simulation method for galloping of iced conductor

Based on the principle of virtual work, an updated Lagrangian finite element formulation for the geometrical large deformation analysis of galloping of the iced conductor in an overhead transmission line is developed. In numerical simulation, a three-node isoparametric cable element with three translational and one torsional degrees-of-freedom at each node is used to discretize the transmission line. The nonlinear dynamic system equation is solved with the Newmark time integration method and the Newton-Raphson nonlinear iteration. Numerical examples demonstrate the efficiency of the presented method and the developed finite element program. A new possible galloping mode, which may reflect the saturation phenomenon of a nonlinear dynamic system, is discovered under the condition that the lowest order of vertical natural frequency of the transmission line is approximately two times of the horizontal one.     

各向异性弹塑性中厚度板壳的有限元分析

本文在文献［２，３］的基础上，提出了一个解各向异性弹塑性中厚度板壳问题的有限元方法。考虑材料各向异性的特点，采用了Ｈｉｌｌ推广的Ｈｕｂｅｒ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则；借用Ｏｗｅｎ的剪切修正系数，正确计及了叠层复合材料壳体的横向剪切效应；为了避免“自锁”现象，文中采用了９节点的Ｈｅｔｅｒｏｓｉｓ二次壳单元；特别是本文利用插值外推的思想，提出了一个带预测的弧长增量控制法，显著提高了确定变形路径的计算效率。几个数值算例表明本文给出的有限元方法对于各向异性中厚度板壳的弹塑性分析有较好的精度，尤其是对具有复杂变形路径的结构计算，收敛速度提高更快。