界面连接刚度参数辨识的子结构分析法

以试验模态参数为基础,提出一种通过特征方程反问题辨识子结构界面连接刚度参数的子结构分析法。新方法以子结构动柔度矩阵特征方程为基础,建立求解界面结点内力和位移的方程,从而由子结构内部结点可测自由度上的位移用广义逆理论估计界面结点内力和位移。并通过迭代修正内部结点可测自由度上的试验值,以提高界面内力和位移的估计精度。最后通过连接子结构刚度矩阵建立的平衡方程求解相应的刚度参数。文中以太阳电池阵板间铰链副刚度参数辨识为例,将铰链副简化为两端结点各有6个自由度的弹簧连接元,考虑到自由度之间的耦合,推导了连接元的刚度矩阵。用上述方法辨识了铰链副6个自由度的刚度参数,得到满意的辨识结果。     

高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型

本文将超级元和子结构的思想相结合，根据框架结构的变形特点，建立了高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型。模型中将楼面划分为子结构，在总结构层次将各子结构假想为二维连续体后用超级元来描述，而在子结构内部仍用经典有限元三维梁单元模拟。据此，框架梁位于同一超级元内，而框架柱连接不同的超级元。通过假设子结构内部结点自由度与总结构结点自由度的位移关系，得到超级元的质量矩阵以及框架梁和框架柱的单元刚度方程。该模型中空间框架结构的动力和非动力自由度均有大幅度的缩减，而刚性楼面假定可以进一步减少计算量。最后通过一幢30层钢筋混凝土空间框架结构的动力特性分析验证本文理论的正确性和适用性。     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用，其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异，含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此，考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应，对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型，基于径向基函数(RBF)神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型，对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析；同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响；最后，利用RBF神经网络代理模型，开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

谱元法研究桁架结构的振动带隙特性

采用谱元法研究了桁架周期结构的带隙特性.从杆和梁的运动方程出发,推导出与频率相关的插值函数,得到了杆单元和梁单元的动力学刚度矩阵.在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,并推导出铰单元的动力学刚度矩阵.将杆/梁单元和铰单元加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的运动方程.通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的频域响应,进而研究结构的带隙特性.本文将谱元法求解得到的固有频率结果与有限元法进行了对比,分析了单胞数量和材料的变化对结构带隙特性的影响,拓展了谱元法的应用领域.     

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针对连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵,分析了在使用连续梁单元 进行结构动态特性分析中的数值问题. 基于连续梁单元的运动方程,导出了连续 Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵. 分析了影响动态刚度矩阵中双曲函 数自变量的各个独立变量及其产生的影响,并给出了初估连续梁单元合理长度的方法. 使用 单一连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵分别进行了悬臂梁频响曲线 的数值求解. 研究表明,在合理选择连续梁单元的长度时,大多数工程结构的动态特性分析 中都不会产生数值问题.     

考虑微观粘滑的连接梁结构动力响应分析

连接的存在对结构的动力学响应有重要影响.界面的微观/宏观粘滑运动引起结构刚度和阻尼的非线性.传统的结构动力学研究中通常采用等效线性化的方式处理含连接结构的动响应分析问题.本文从连接界面微/宏观滑移运动引起结构非线性和阻尼迟滞的物理机理出发,利用一种弹簧-滑块并联系统模型模拟界面上的微/宏观粘滑行为,以该模型描述的本构关系为基础,推导了能应用于平面梁结构有限元动响应分析的非线性连接单元.利用上述模型和单元研究了含连接平面梁结构的动响应问题.设计了实验件,进行了力锤冲击实验,并将数值计算结果与实验结果进行了对比和分析.结果表明,界面微/宏观粘滑是引起干摩擦阻尼的主要原因,考虑非线性微/宏观粘滑运动对含连接结构的动响应分析至关重要.本文的模型和方法能够有效地预测含连接结构的非线性动力学响应,特别是在瞬态响应的高振幅阶段.     

包带连接特性及星-箭-包带连接结构耦合动力学的研究进展

包带连接结构是目前航天领域应用最广泛的星箭连接和分离机构. 包带连接结构通过组件间的接触、摩擦传递载荷, 在预紧力作用下实现星箭连接. 各组件间的接触、摩擦力学行为随外载荷的变化而改变, 从而导致包带连接刚度具有明显的非线性特征, 影响火箭的运载能力以及星箭系统的动力学特性. 本文对包带连接结构的局部连接特性及其对星箭整体系统动力学特性的影响进行了综述. 首先介绍了国内外针对包带连接特性开展的研究工作, 重点评述了有关包带连接结构的承载能力和连接刚度等问题的研究进展; 随后, 围绕包带连接结构在星箭系统模型中的表征及其对星箭系统动特性的影响等问题, 对星-箭-包带耦合动力学进行了论述; 最后, 指出了这一领域需要进一步研究的若干问题.      

大型柔性构件振动控制的特征结构配置

根据大型柔性构件存在着建立运动方程自由度多,整体结构参数不宜测量等特点,文中研究了基于子结构的振动特征结构配置．为克服以往在拼装子结构时由于界面耦合作用,造成振动能量相互传递,破坏原有各子控制器设计性能的缺陷,作者提出了通过在界面上安装控制执行器,以割断子结构间能量传递的分散解耦控制法,保证了子控制器的设计特性在装配后不会改变     

有限元模型阻尼特性的复参数修正方法研究

阻尼对于结构动力学响应具有重要的影响,但有限元模型一般很难对阻尼特性进行精确建模.基于实测频响函数,研究了一种有限元模型阻尼特性的复参数修正方法.以待修正区域各单元质量、刚度矩阵的比例修正系数为复修正参数,建立了单元矩阵比例修正的灵敏度方程直接算法,并对比分析了复修正参数与不同阻尼特性之间的数学关系.以六自由度集中参数模型和25杆平面桁架模型为例,验证了复参数修正方法在阻尼特性修正中的有效性.     

A COMPLEX PARAMETER MODEL UPDATING METHOD FOR DAMPING CHARACTERISTICS OF FINITE ELEMENT MODELS

阻尼对于结构动力学响应具有重要的影响,但有限元模型一般很难对阻尼特性进行精确建模.基于实测频响函数,研究了一种有限元模型阻尼特性的复参数修正方法.以待修正区域各单元质量、刚度矩阵的比例修正系数为复修正参数,建立了单元矩阵比例修正的灵敏度方程直接算法,并对比分析了复修正参数与不同阻尼特性之间的数学关系.以六自由度集中参数模型和25杆平面桁架模型为例,验证了复参数修正方法在阻尼特性修正中的有效性.     

刚架结构频域子结构法的实验研究

以空间刚架为模型,对Jetmundsen频域子结构综合法进行了探索性实验,并研究了子结构的界面自由度完整性对最后综合结果的影响。实验中,频响函数矩阵中与线自由度响应和集中力输入相关的项通过加速度计与力传感器直接测量,而与转角自由度响应或纯力矩输入相关的项通过一种结合转角自由度间接测试和模态分析技术的方法获取。实验结果显示,实验子结构综合法能够有效地预报结构的动力学性能,而转角自由度的引入能在一定程度上改善预报质量。     

结构的多机并行分析I——结构的并行有限元方法

本文详细分析和讨论了结构分析的并行有限元方法—并行预处理共轭梯度法(以下简称PPCG法)。着重讨论了基于自带存储器的多处理机系统的并行预处理算法问题,并由此提出了两种PPCG法:PPCG1和PPCG2法。这两种方法适用于以单道剖分(one-way dissection)的子结构法为基础的并行分析。由于这种剖分法产生的结构刚度矩阵具有箭头形状,可独立地消除各子结构的内部自由度,并且不会在刚度矩阵中产生新的非零元素,因此很适合具有较多处理机的并行机系统对复杂结构进行的并行分析。     

A study on the effect of structure parameters on the dynamic characteristics of a PRRRP parallel manipulator

This paper studies the effect of structure parameters on the dynamic characteristics of a planar PRRRP parallel manipulator. The stiffness model is derived by considering the effect of joint. Based on the stiffness matrix, the vibration equation of this parallel manipulator is investigated to study the dynamic characteristics. The natural frequency is computed, and the effect of Y and Z coordinate on the natural frequency is discussed. Moreover, the sensitivity model of the dynamic characteristic to critical structure parameters is proposed. The thickness of column and leg, the radial stiffness of bearing, and the lumped mass on the end-effector are determined based on the natural frequency and sensitivity index. The results are useful to the structure design of parallel manipulators.     

Constrained Substructure Model Updating Method Based on Local Mode

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对 应子结构部分的模态即可以修正子结构模型. 由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态; 结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩 阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构 中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根 据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型. 通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或 10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果. 关键词 模型修正,柔度矩阵,约束子结构,灵敏度,修正单元力     

空间网格结构动力分析的非线性模态方法

空间网格结构因自由度数多且无简化的力学模型,非线性动力分析通常要耗费大量时间．传统的非线性模态方法用于求解多高层结构的局部非线性问题已获得良好的效果,但对系统非线性问题的应用尚缺少研究．对比分析多高层结构和空间网格结构动力性能差异,指出网格结构动力非线性分析存在的问题．以主振型理论和切线刚度分离法为基础,将非线性模态方法用于几何非线性效应显著的空间网格结构动力分析．通过对运动方程的非线性恢复力进行拆分,形成线性表达形式,然后解耦到主振型所在的广义坐标系,以达到缩减自由度数量的目的．并通过实例验证非线性模态方法的高效性与适用性．     

山地输电线动刚度计算及模态分析

为了揭示地形变化对连续档输电线动态特性的影响，本文提出了基于任意高差角的动刚度理论．首先将单档导线视为连续档导线的子结构，构建了两悬挂点不等高的单档导线振动方程，并在该理论方程中引入了二次项，能够考虑重力沿弦向分量的影响，推导出绝缘子串绕其悬挂点转动的动刚度计算方法，通过动刚度理论研究连续档导线横向振动模态和频率，并应用有限元软件ABAQUS 验证理论模态和频率公式的准确性．所得结果表明，动刚度的计算方法具有较高的精度，理论模态与有限元输出结果吻合较好，同时获得的频率和模态可为山地高压输电线路防舞技术的研究提供依据．     

固定界面动态子结构方法研究车内噪声问题

随着社会的发展，降低车内噪声越来越受到人们的重视。由于整车结构复杂，本文采用包括软子结构的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用固定界面模态综合法，建立整车结构车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其总质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。在已建立的总系统动力学模型基础上，在时域内对前后轴分别激励时汽车振动和车内噪声特性进行仿真模拟，并通过台架试验对仿真结构进行验证。     

基于模板的子结构多分辨率拓扑优化

多分辨率拓扑优化(multi-resolution topology optimization, MTOP)方法将有限元网格和密度网格解耦, 采用较粗的网格(超单元)进行有限元分析, 从而大大降低了拓扑优化过程中的结构分析成本. 但MTOP方法每次迭代都需要根据超单元内的平均密度计算有限元单刚, 不仅精度不够且在过滤半径较小的情况容易出现棋盘格现象和QR模式. 为解决相应问题, 本文将超单元视为子结构, 通过静态凝聚得到超单元刚度阵, 并进一步根据拓扑优化过程中子结构的密度分布特征组建了其模板库, 从而省去了超单元单刚的重复计算, 显著提高了MTOP方法的分析精度, 有效抑制了数值不稳定现象.      

Numerical analysis of bifurcation buckling for rotationally periodic structures under rotationally periodic loads

By considering the characteristics of deformation of rotationally periodic structures under rotationally periodic loads, the periodic structure is divided into some identical substructures in this study. The degrees-of-freedom (DOFs) of joint nodes between the neighboring substructures are classified as master and slave ones. The stress and strain conditions of the whole structure are obtained by solving the elastic static equations for only one substructure by introducing the displacement constraints between master and slave DOFs. The complex constraint method is used to get the bifurcation buckling load and mode for the whole rotationally periodic structure by solving the eigenvalue problem for only one substructure without introducing any additional approximation. The finite element (FE) formulation of shell element of relative degrees of freedom (SERDF) in the buckling analysis is derived. Different measures of tackling internal degrees of freedom for different kinds of buckling problems and different stages of numerical analysis are presented. Some numerical examples are given to illustrate the high efficiency and validity of this method.