基于比例边界有限元法的高阶透射边界应用

基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界. 采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题. 该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题. 如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态. 通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.     

FAST ALGORITHMS FOR DETERMINING POSITIVE DEFINITENESS OF LARGE SCALE MATRICES IN SOLID STRUCTURE ANALYSIS

对于结构稳定性分析中超大规模矩阵正定性判定,必须采用并行计算方法,传统方法如计算特征值、主子式行列式及LDLT等直接方法难以实现.本文提出了一些可适用于并行的迭代判定算法.借鉴力学系统中能量下降的思想,发展了一种判定矩阵正定性的新思路,即将矩阵的正定性判定问题转化为一个优化问题,并基于优化算法来判定矩阵的正定性.提出了基于最速下降法和共轭梯度法来进行矩阵正定性判定的算法.然后考虑到力学系统刚度矩阵的稀疏性和结构刚失稳状态的弱非正定性,提出可以先截超平面后解方程求驻值点的方法来判定弱非正定矩阵的正定性.为了保证对强非正定矩阵判定的准确性,本文提出可以高效混杂使用截平面法和共轭梯度法.数值实验结果表明,本文提出的算法具有准确性和高效性.对于强非正定矩阵而言,共轭梯度算法更加高效;而对于弱非正定矩阵,则是截平面法和混杂算法更加高效.这些算法都容易在机群上实现并行计算,能够快速判定大规模矩阵的正定性.     

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

Physical mechanics investigations of moving contact lines

移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力-电-热-化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.     

A HIERARCHICAL PARALLEL COMPUTING APPROACH FOR STRUCTURAL STATIC FINITE ELEMENT ANALYSIS

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点,提出了一种结构静力有限元分层并行计算方法. 该方法在两级分区两次缩聚策略的基础上不仅实现了大量数据的分布式存储,提高了数据的内存访问速率;而且实现了计算过程的三层并行,有效提高了通信效率;此外,它还进一步降低了界面方程的规模,大幅度减少了界面方程的求解时间. 因此,它能够充分利用分布式存储并行计算机的体系结构特点提升大规模并行计算效率. 最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性.     

TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR GEOMETRIC STABILITY OF STRUCTURES WITH COMPENSATION DISPLACEMENTS

大量工程问题要求结构的局部区域在不同承载工况下保持位移响应的几何稳定性. 在结构的特定区域引入可以随承载工况调节的补偿位移是实现这一目标的有效手段. 在线弹性小变形范围内,通过最小的变形控制成本,研究了多工况下使结构特定位置的位移响应保持几何稳定性的拓扑优化问题. 设计目标为在保持结构位移响应几何稳定性的同时实现结构的最大刚度;优化模型包含两类设计变量:结构拓扑变量及补偿位移变量,两类变量采用分层寻优技术进行耦合. 采用伴随法分别推导了目标函数对两类设计变量的敏度求解格式. 结果表明,该优化模型能够在兼顾成本的同时较好地实现结构的变形控制目标.     

Decentralized control of uncertain nonlinear stochastic systems based on DSC

In this paper, the decentralized stabilization control approach based on the dynamic surface control (DSC) is proposed for a class of large-scale interconnected stochastic nonlinear systems. The proposed approach combined the existing dynamic surface control (DSC) with back-stepping technique. This approach can overcome the problem of “explosion of complexity” inherent in the back-stepping method. Thus, the proposed control approach is simpler than the traditional back-stepping control method for the large-scale interconnected stochastic nonlinear systems. The stability analysis shows that all the signals in the closed-loop system are uniformly ultimately bounded (UUB). Finally, an example is provided to illustrate the effectiveness of the proposed control system.     

一类分段光滑隔振系统的非线性动力学设计方法

分段光滑隔振系统是一类具备分段刚度或阻尼的非线性动力学系统,在振动控制领域中具有广泛代表性,诸如限位隔振系统、分级汽车悬挂等. 分段光滑的刚度或阻尼特性能够实现隔振系统的特定动力学性能及提升隔振性能,如抑制共振响应、提升共振区隔振性能等,但是亦会给隔振系统的动力学行为带来诸多不利影响. 以分段双线性分段光滑隔振系统为理论模型,系统研究了摒除不利于隔振的非线性动力学现象设计方法,包括幅值跳跃、周期运动的倍周期分岔等. 首先,利用平均法与奇异性理论给出了主共振频响曲线拓扑特征的完整拼图. 研究结果表明,参数空间分为4 个区域,其中2 个区域存在幅值跳跃,而其产生跳跃原因分别由鞍结分岔与擦边分岔所导致;基于此提出避免主共振跳跃的设计方法. 其次,建立了隔振有效区内周期运动的庞加莱映射,通过特征值分析给出了避免倍周期分岔发生的条件,证实增大阻尼可以抑制倍周期分岔的发生. 最后通过数值仿真分析了噪声对多稳态运动的影响. 研究结果发现在噪声影响下,分段光滑隔振系统的响应会在不同稳态间跃迁,非常不利于隔振. 因此,在完成跳跃与倍周期分岔的防治设计后,应采用数值仿真校验系统是否存在多稳态运动.      

轴对称薄壁结构自由振动的边界元分析

采用双互易法分析薄壁轴对称结构自由振动的特征频率以及特征模态.首先,采用径向基函数插值域积分里的位移,利用双互易法将域积分转化为子午面边界的积分.然后,将边界物理量、基本解和特解展开为傅里叶级数,沿环向积分后得到的边界积分方程可用于轴对称结构带体积力问题和受非对称载荷的动力学分析,其积分域为轴对称结构子午面边界上的线积分,进一步降低了问题的维度和离散的难度.文章详细探讨了源点处于对称轴的特殊情况,根据基本解和特解的退化形式,针对无体积力和有体积力分别给出了处理奇异矩阵的方案.对于薄壁结构,采用双曲正弦变换处理近奇异积分有效提高积分精度.最后将双互易法和双曲正弦变化应用于薄壁轴对称结构带体积力的静力学和自由振动分析.数值结果表明,文章提出的处理奇异矩阵的方法能够有效处理源点处于对称轴的情况;当圆筒厚高比为$10^{-3}$,边界元计算的特征频率的相对误差为$10^{-3}$,且优于有限元的结果.      

谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础,将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程,并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法,数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场,并通过积分法获取了俯仰动导数,与实验结果吻合很好;且在同等计算精度下,谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现,对于本外形,当减缩频率降低到一定值后,俯仰动导数的值迅速变化,甚至发生变号;对此现象产生的原因进行了深入分析,并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外,针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点,开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明,谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.      

梯度型非局部高阶梁理论与非局部弯曲新解法

针对文献中关于纳米结构刚度受非局部效应影响趋势的不一致预测,基于梯度型的非局部微分本构模型,利用迭代法及泰勒展开法求得了非局部高阶应力的无穷级数表达,非局部应力相当于经典弯曲应力与非局部挠度的逐阶梯度之和. 然后推导了梯度型非局部高阶梁弯曲的挠曲轴微分方程,并结合正则摄动思想,求解了非局部挠度的表达式. 最后给出数值算例,具体量化挠度受非局部尺度因子的影响大小. 研究表明:相比于其经典值,纳米结构的非局部弯曲挠度可呈现出或增大或减小或不变的趋势,考虑梯度型非局部高阶应力降低或提高或不影响纳米结构的刚度,具体结果依赖于外载和边界约束的类型. 算例显示外载形式和边界约束条件均各自独立地影响着纳米结构的非局部弯曲挠度,同时首次观察到非局部最大弯曲挠度的位置可能受非局部尺度因子的影响. 研究结论解决了非局部弹性力学应用于纳米结构的若干疑点,并为理论的发展和优化提供支持.      

TYPHOON,SOLITON AND HELICAL STRUCTURE-AN APPROACH TO COMBINE DIFFERENT DISCPLINES

台风和孤立子都是小尺度不稳定流动受扰动的激励,吸收基本流场的能量而形成的. 当它们各自所受的耗散、弥散、平流或对流作用分别达到平衡时,其运动形态在一段较长时间内保持稳定. 通过研究螺旋结构,考察它们在局域能量维持方面相似的动力学特性. 通过理论分析和大型地球流体模拟转盘的双台风实验、以及拟开展的数值实验,将探索和检验“能否将台风看作是大尺度三维螺旋孤立子”,这既是研究台风和孤立子的形成机制及其动力学特性的一种新的思路,也是将二者融合起来研究的方法论的一种新途径.     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法. 为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析. 采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律. 最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.      

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.     

流固耦合系统动力响应的模态分析理论

本文建立了流固耦合系统动力响应的模态分析理论.首先,从系统的位移-速度势型有限元方程出发,导出了一对具有三个实对称矩阵的广义特征值问题以及两者的相互关系.然后,建立了模态矢量之间的广义正交关系,并通过模态展开,获得了系统对外界激励的响应的封闭解.作为示例,最后给出了两个具体问题的解答.     

逆迭代法的一种变通应用

本文利用逆迭代法与共轭梯度法配合使用时的“广义力”一致出现之规律,将大型结构动力分析的有限元(条)网格以族排列,然后将单元族分批集于“广义力”向量之中,从而避开了传统的结构刚度阵与质量阵的集成过程,大大节约了计算机内存。整个过程极为简明、有效。     

NUMERICAL SIMULATION OF BROWNIAN COAGULATION AND MIXING OF NANOPARTICLES IN 2D RAYLEIGH-B?NARD CONVECTION

采用泰勒展开矩方法对二维瑞利-贝纳德热对流系统(1×10⁶ ≤Ra ≤1 ×10⁸) 中纳米颗粒群的混合和凝并特性进行了数值模拟. 结果显示颗粒群随时间演化经历了扩散阶段、混合阶段、充分混合阶段3 个阶段, 随着颗粒群混合和凝并的进行, 颗粒数目浓度减少, 颗粒群的平均体积增大; 得到了颗粒分布函数各特征量与温度相关系数以及各特征量的空间分布标准偏差在3 个阶段的不同特征; 得到了颗粒分布函数各阶矩以及平均体积长时间演化的渐近行为, 结果与零维渐近解析解一致. 最后, 本文进一步研究了无量纲数(包括瑞利数Ra, 斯密特数Sc_M, 达姆科勒数Da) 对颗粒群达到自保持分布时间的影响, 发现该时间随着Ra和Sc_M的增大呈对数率减小, 随着Da的增大呈线性增大     

USING LAPLACE TRANSFORM TO SOLVE THE VISCOELASTIC WAVE PROBLEMS IN THE SHPB EXPERIMENTS

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.