薄板弯曲问题的神经网络方法

为发展神经网络方法在求解薄板弯曲问题中的应用,基于Kirchhoff板理论,提出一种采用全连接层求解薄板弯曲四阶偏微分控制方程的神经网络方法。首先在求解域、边界中随机生成数据点作为神经网络输入层的参数,由前向传播系统求出预测解;其次计算预测解在域内及边界处的误差,利用反向传播系统优化神经网络系统的计算参数;最后,不断训练神经网络使误差收敛,从而得到薄板弯曲的挠度精确解。以不同边界、荷载条件的三角形、椭圆形、矩形薄板为例,利用所提方法求解其偏微分方程,与理论解或有限元解对比,讨论了影响神经网络方法收敛的因素。研究表明,本文方法对求解薄板弯曲问题的四阶偏微分控制方程具有一定的适应性,其收敛性受多种条件影响。相比有限元,该方法收敛速度较慢,在复杂的边界条件下收敛性不佳,然而其不基于变分原理,无需计算刚度矩阵,便可获得较高的计算精度。     

圆薄板轴对称弯曲问题的基本方程讨论

首先通过级数展开和求极限运算的方法,确定了等厚度圆薄板轴对称大/小挠度问题的弯曲微分方程在圆心处的表达式.其次,根据轴对称问题的特点,推导出了实心圆薄板在圆心处应满足边界条件的数学表达式,使圆薄板轴对称大/小挠度问题的弯曲微分方程应满足的边界条件达到了应有的数量.本文工作进一步完善了圆薄板轴对称弯曲问题的微分方程形式和边界条件,从而使我们可以利用成熟的微分方程数值解法,对具有较复杂载荷的实心圆薄板轴对称弯曲微分方程进行数值求解.     

基于物理信息的深度学习求解矩形薄板力学正反问题

建立基于物理信息的神经网络框架,利用深度学习求解矩形薄板力学正反问题.力学正问题为已知矩形薄板的基本参数、边界条件和受力情况,求薄板各点挠度;反问题为已知薄板部分点的挠度、基本参数和受力情况等,识别边界条件.基于物理信息的神经网络模型中,损失函数除基于数据驱动模型的挠度数据拟合部分以外,还引入薄板弯曲基本方程和应力应变...     

基于物理信息神经网络的薄壁结构屈曲分析

基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法.薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组,使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性.文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数,并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性.将弧长法,硬边界条件,基于预训练的权重调整策略,以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题.文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解,并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比.结果分析表明,物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析,并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率.该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢,但不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.     

RIGIDITY OF A CONCAVE TEMPLATE OF RIGHT ANGLE TRAPEZOID CROSS SECTION WITH A CIRCULAR APERTURE

采用线弹性平板理论,对均匀、连续、各向同性材料制成的变横截面为直角梯形的圆孔凹模板刚度计算理论进行了研究. 首先建立力学和数学计算模型,其次,针对承受垂直冲裁力的圆形孔凹模板,建立了用挠度表示的三阶变系数常微分方程,并给出了新的边界条件,然后采用半逆解法求解,进行弯曲问题的挠度计算,进而确定刚度计算理论,最后进行实例分析.     

轴对称圆薄板大挠度微分方程的数值分析方法

根据轴对称问题的特点,利用级数展开和求极限法则,证明了轴对称大挠度圆薄板在圆心处应满足的边界条件,并以圆薄板轴对称大挠度弯曲变形微分方程为基础,建立了圆心处非奇异的轴对称大挠度圆板弯曲微分方程,从而可以方便地利用现有的常微分方程数值求解方法(如变步长龙格-库塔法)对实心圆板的轴对称问题进行数值求解,又不必像摄动法那样推导复杂的公式。在数值求解轴对称圆板大挠度弯曲变形微分方程时,将非线性微分方程的求解主要归结为迭代求解圆心处三个未知边界条件的问题,即圆心处的径向膜力、圆心处的挠度、圆心处挠度的二阶导数,并提出了相应的求解方法。实例中,对于圆薄板受均布横向荷载的问题,分析了周边固支边界条件下的非线性弯曲问题,给出了中心挠度参数大范围变化时的荷载和部分边界值变化曲线,并与经典摄动解进行了对比。对比结果可见,本文方法和摄动法的解非常接近,在量纲归一化中心挠度不超过4.0时,两种方法解的相对误差均小于5.0%。另外,本文还分析了与挠度有关的液体压力作用下和集中荷载作用下周边固支圆板的非线性弯曲问题。通过算例可见:本文方法可以灵活处理不同的荷载问题;对于不同的问题,计算过程相似,不必推导复杂的计算公式,计算精度容易控制。     

变刚度梁挠度曲线的Green函数法求解

在变刚度梁的线弹性问题中,求解梁受静力荷载的挠度曲线常用解法有积分法与单位荷载法.本文从变刚度梁挠度曲线的微分方程出发,给出了变刚度梁挠度曲线的Green函数法解答,并分析了该解法的优点.从推导结果可以看到,本文提出的公式具有统一、精确、简洁、适合电算的特点,在编制杆系结构计算软件中将具有重要应用价值.     

基于计算机求解弯曲变形问题的一种新解析法(一)——复杂载荷作用下的静定梁问题

提出了一种求解弯曲变形问题的分段独立一体化积分法.分段独立一体化积分法首先将梁进行分段,独立建立具有四阶导数的挠曲线近似微分方程,然后分段独立积分4次,得到挠度的通解.根据边界条件和连续性条件,确定积分常数,得到挠度、转角、弯矩和剪力的解析函数.3个实例表明,分段独立一体化积分法建立方程简单,计算编程程式化,利用计算机求解速度快,与有限元法相比其优点是可以得到精确的解析解.     

正多边形弹性薄板的弯曲解

提出了一种在极坐标下求解正多边形薄板弯曲的新方法。在均布荷载条件下,通过选取满足特定对称条件的试函数,得到正多边形弹性薄板弯曲问题的级数展开解法,在挠度或弯矩表达式中仅取前5项,就可获得较高精度的结果,该方法能较好地解决特定正多边形薄板的弯曲问题,既可适用于求解均布荷载下的任意正多边界薄板的弯曲问题,也可以推广到承受任意荷载的任意正多边形薄板。     

考虑弯曲刚度斜拉索面内面外内共振分析

本文研究桥梁工程中含弯曲刚度斜拉索的面内面外内共振问题．描述了工程中斜拉索变形的三种状态,考虑弯曲刚度、大变形及垂度等因素,忽略斜拉索纵向惯性力的影响,运用Hamilton变分原理建立了含弯曲刚度的斜拉索面内面外耦合偏微分控制方程,采用Galerkin方法对偏微分方程离散,并运用多尺度摄动方法进行了求解,获得了斜拉索可能存在的内共振模式,以工程中一根斜拉索为例,运用有限元法对其进行动力特性分析,列出了斜拉索前10阶面内面外振动频率,找出面内面外可能产生内共振的模态,分别研究了主共振条件下斜拉索面内和面外1:1、2:1内共振情形,获得了有意义的结论．     

Analytical solution of rectangular plate with in-plane variable stiffness

The bending problem of a thin rectangular plate with in-plane variable stiffness is studied. The basic equation is formulated for the two-opposite-edge simply supported rectangular plate under the distributed loads. The formulation is based on the assumption that the flexural rigidity of the plate varies in the plane following a power form, and Poisson’s ratio is constant. A fourth-order partial differential equation with variable coefficients is derived by assuming a Levy-type form for the transverse displacement. The governing equation can be transformed into a Whittaker equation, and an analytical solution is obtained for a thin rectangular plate subjected to the distributed loads. The validity of the present solution is shown by comparing the present results with those of the classical solution. The influence of in-plane variable stiffness on the deflection and bending moment is studied by numerical examples. The analytical solution presented here is useful in the design of rectangular plates with in-plane variable stiffness.     

多层正交异性矩形薄板弯曲振动稳定解析解

构造了带有补充项的双重正弦傅里叶级数通解来求解各种边界条件的多层正交各向异性矩形薄板的弯曲、振动和稳定问题.将坐标轴取在中性面上,求出用挠度表示的应力表达式,然后由横截面上每单位宽度的应力合成板的内力;再将层合板的内力代入板的平衡方程中得到板的控制方程,将多层板的物理参数折算为等价的单层板物理参数;最后联立控制方程与边界条件,求得未知量的系数并代入本文的通解中.本文的通解不需要叠加即可求解各种边界条件的板的弯曲、振动和稳定问题;现有的对于单层板的研究都可以用本文的方法拓展到多层板领域;对于复杂边界条件的板,也可以使用该通解分析.     

On bending of strain gradient elastic micro-plates

Bending of strain gradient elastic thin plates is studied, adopting Kirchhoff’s theory of plates. Simple linear strain gradient elastic theory with surface energy is employed. The governing plate equation with its boundary conditions are derived through a variational method. It turns out that new terms are introduced, indicating the importance of the cross-section area in bending of thin plates. Those terms are missing from the existing strain gradient plate theories; however, they strongly increase the stiffness of the thin plate.     

点支撑预应力中厚矩形板的弯曲

基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形板理论，讨论在预加面内机械荷载或温度场作用下，点支撑中厚矩形板的弯曲问题。温度场假定沿板表面为均布，沿板厚方向为线性分布的。利用考虑剪切变形影响的Timoshenko梁函数，采用Rayleigh-Ritz法给出不同边界条件下点支撑中厚板在横向荷载作用下的挠度和弯矩分布。结果表明，均匀温度场与预加面内压力将使板的挠度和弯矩增加。支撑点位置的变化、边界约束条件和横向剪切变形效应都对板的内力大小和分布有显著影响。     

域内具有支承及集中质量的薄板自由振动的边界元分析

本文基于薄板小挠度弯曲问题的基本解,建立了任意边界条件、域内具有支承及附有征意个集中质量的薄板自山振动的边界积分方程,文中计算了若干算例,其精度是实际工程中所允许的。     

薄板稳定问题的边界元法

本文基于小挠度薄板弯曲问题的基本解,建立了求解薄板稳定问题的边界积分方程,并计算了若干算例,结果表明用边界元法求解薄板的稳定问题是行之有效的.     

Bending of edge-bonded dissimilar rectangular plates

This study develops the extended Kantorovich method (EKM) to provide a closed form semi analytical solution for the bending analysis of two edge-bonded thin rectangular plates. The constituent plates could be different in thickness, length, material, loading conditions, and Winkler foundation’s stiffness. A combination of clamp, free, and simply supports are applied to the structure. The shared edge in the composite plate is assumed to be perfectly bonded. By applying the EKM together with the idea of weighted residual technique, two sets of ODEs are obtained. Bending is assumed to remain continuous on the bonded edge. The EKM procedure is modified by applying the coordinate of an arbitrary shared point in the boundary conditions for the shared edge, to relate the bending of the two plates. The ODEs are solved iteratively to obtain the deflection function in a fast convergence trend. Two examples of aluminium-steel plate and functionally graded material-steel plate are considered. The deflection results from the boundary modified EKM (BM-EKM) are in high agreement with the finite element solution results. The bending of stepped plates is a special case of the current study. The suggested BM-EKM strengthens the EKM’s ability for solving complex jointed/bonded structures in structural analyses.

     

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。