张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

柔性结构模糊主动振动控制实验研究

在仿真工作的基础上,运用基于PD的模糊控制策略对柔性结构振动进行了主动控制的实验研究,实验表明,基于PD的模糊控制策略对瞬态及正弦激励的振动响应均有明显的抑制效果,该方法对难以建模的大型空间柔性结构的主动振动控制具有重要的意义。     

一种求解局部非线性结构稳态响应的方法

为了降低求解局部非线性结构稳态响应的计算量,基于子结构和阻抗缩聚提出了一种用于求解局部非线性结构稳态响应的计算方法.将局部非线性结构分解为线性子结构和非线性子结构,利用谐波平衡构造各个子结构的阻抗方程,对线性子结构进行缩聚,将局部非线性动力学方程转化为求解一组非线性代数方程组问题,通过迭代求解非线性代数方程组,求解系统的稳态响应.     

空间桁架结构等效连续体建模及固有特性分析

针对空间桁架天线的结构特点，基于能量等效原理分别建立了不带底板和带底板的空间桁架结构的等效梁连续体模型。将胞元横截面上任意点的位移用横截面中心处的位移分量线性表示，求得胞元的应变能和动能；基于能量等效原理利用哈密顿原理建立桁架天线结构的等效连续体动力学方程，求解得到等效连续体模型的固有频率和振型表达式；利用有限元方法对桁架结构进行仿真分析，并将仿真结果与等效连续体模型计算结果进行对比分析。结果表明，等效模型结果具有较好的精度，从而验证了等效连续体梁模型的正确性。研究结果可为大型空间可展桁架结构的动力学设计提供论支撑。     

基于响应面方法的破损-安全结构可靠性拓扑优化

传统结构由于缺少冗余,忽略了不确定性因素的影响,更容易受到局部刚度损失的影响,文章针对载荷不确定性下破损-安全结构的设计问题提出了一种有效的基于响应面的可靠性拓扑优化方法,以提高结构的安全性,确保结构在发生局部破损时仍能满足服役性能及可靠性要求.为此,建立了柔度概率约束下的结构体积比最小化的双循环可靠性拓扑优化模型,其中内层循环实施可靠性分析,外层循环实施拓扑优化.为了有效处理可靠性分析中响应函数关于随机变量的导数计算高成本问题,基于响应面方法建立了响应函数关于随机变量的显式表达式.详细推导了响应函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐近线方法(method of moving asymptotes, MMA)对优化问题进行求解.将基于响应面的可靠性拓扑优化方法与基于解析导数的方法作对比,并实施蒙特卡洛仿真验证了所提方法的有效性和优越性,讨论了随机载荷标准差对优化结果的影响.结果表明,本文方法可以有效设计满足指定可靠性水平的破损-安全结构,优化后结构可靠性指标的相对误差不超过1.3%,另外基于响应面的可靠性设计方法相对于基于解析导数的可靠性设计方法可节省约74%的可靠性...     

基于凸模型和伪概率分布的不确定性结构响应分析

针对传统基于凸模型的方法分析不确定性结构时仅能给出结构响应边界的局限性, 本文结合基于体积比的伪概率度量和一次二阶矩提出一种结构响应不确定性量化的新方法. 该方法在精确求解不确定性结构响应上下界的同时, 给出了结构响应在上下界内的伪概率分布. 首先利用椭球凸模型对结构不确定性进行建模, 结构响应关于不确定性参数的状态方程将椭球分割成两个区域, 则分割区域体积与椭球域总体积之比可作为伪概率来度量结构响应的不确定性; 其次, 用一次二阶矩法序列求解结构响应不确定性传播方程, 获得最可能展开点及相应分割区域的近似体积. 最后, 通过一个典型的六杆桁架结构算例与传统凸模型方法和蒙特卡洛法进行比较, 验证该方法对不确定性结构响应分析和量化的有效性和优越性.     

改进的小损伤结构动力学有限元建模方法

在遗传算法或神经网络方法识别结构损伤位置和程度时,都是基于少量的在线测量的损伤结构振动响应数据和大量的模型仿真数据来实现的,因而建立高效和精确的损伤结构动力学有限元模型,以便仿真获得损伤结构的大量动力学响应数据是十分重要的基础前提工作。本文针对ANSYS结构分析软件在建立结构小损伤有限元动力学模型存在两个关键问题,结构损伤处直接网格划分的计算结果误差和网格节省问题,以结构损伤振动检测的实际需要为出发点,提出了建立含小损伤结构的ANSYS动力学建模技术,研究了结构局部小损伤及其位置与所在处单元刚度矩阵变化的数量关系。     

随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

多层隔震结构地震作用取值的解析分析法

为建立多层隔震结构等效静态抗震设计法,对该结构基于规范反应谱的最大地震效应及其等效静态地震作用取值的解析分析法进行了系统研究。首先运用实振子解耦法,将非对称非经典隔震结构响应精确分解为系列标准振子位移与速度响应的线性组合;继而根据随机振动频域法和响应方差与最大响应平方成正比的性质,将结构位移的响应方差及最大响应平方精确分解为系列标准振子位移与速度响应方差及反应谱平方的线性组合,精确获得了隔震结构基于规范加速度谱的最大地震效应;最后基于静态效应与最大动态效应的等效准则,给出了基于最大位移响应的等效地震作用的新定义及其取值的解析计算法,使新定义的地震作用精确满足等效准则,并通过算例,验证了所提出方法的正确性。所建立的方法基于响应精确解耦和方差精确分解以及等效准则精确满足,属精确解析法,具有一般性,较基于响应近似解耦和方差近似分解以及等效准则近似满足的现有地震作用(即最大惯性力)计算方法更科学合理。     

脉冲载荷下加筋圆板的各向同性快速等效方法

加筋板在爆炸与冲击防护中应用广泛,而其动力响应的快速求解一直是工程中关注的重点。对于径向均匀加筋的圆板,基于刚度叠加思想,提出了一种将其等效为各向同性平板的方法,用于分析其在脉冲载荷下弹性阶段的动力响应。结合理论推导与数值方法,显式地给出了简洁的等效平板厚度公式。经验证,提出的等效方法建立了加筋圆板与均质圆板间的内在联系,适用于多种加筋尺寸、材料及载荷形式。等效圆板与加筋圆板的最大挠度偏差不超过6%,低阶振动频率偏差不超过10%。相比于直接对加筋圆板进行计算,等效分析方法大大提高了求解效率,且保证了很高的计算精度,在冲击响应预测和结构优化等工程应用中具有重要意义。     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响，利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验，基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响，利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质，结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下，梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响，在冲击过程中，样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段，对于不同梯度结构和冲击方向，样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式；(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展，分析发现局部增量达到临界状态后，局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积，最终导致整体性破碎失效；(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到，改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响，不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同，且存在极值情况。     

水下航行体螺栓法兰连接结构可靠性分析

螺栓法兰连接结构中的摩擦、接触、间隙及预紧力等因素,会导致水下航行体结构在复杂载荷环境中出现非线性的动力学响应特性,甚至破坏连接结构.目前,常取指定时段内的各类内力最大值同时施加于连接结构进行可靠性分析,导致结构设计偏于保守.为解决此问题,本文基于随机水动力载荷作用下水下航行体结构内力响应数据,分析螺栓法兰连接结构在端面内力组合作用下的最大Mises应力,由此建立连接结构端面内力组合的极限状态面,利用最大熵方法开展螺栓法兰连接结构可靠性分析.为提高分析效率,根据连接结构端面各类内力在塑性极限状态面附近的线性相关性,提出以端面等效弯矩为指标的工程可靠性分析方法,并通过数值仿真分析对可靠性分析结果精度进行校核.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.      

弹性薄板结构的等效激励谱反演问题研究

在声纳基阵腔内机械自噪声预报问题的研究中,确定平台区激励一直是个难题,考虑振源设备激励向声纳部位传播过程的复杂性,通过测量平台区振动响应对其外部激励情况进行估算是最具可行性的一种方法。本文根据弹性薄板结构的振动模态理论和简支边矩形薄板的Navier解法,详细探讨了在外部激励的分布状态未知或难以确定的情况下,基于响应相似原则进行等效激励虚拟假设,利用实测板壳结构振动响应和模态参数对等效激励进行反演计算的一般原理方法,分别用解析法和有限元法对等效激励估计实验方案中影响结果可靠性的主要因素进行了分析论证。结果表明,等效激励法是一种适用于激励作用位置缺失情况下,可靠的便于工程应用的环境激励反演评估方法。     

两种离散方法对覆冰四分裂导线舞动特征的影响

首先基于Hamilton变分准则推导了覆冰导线三自由度耦合动力学方程组,接着采用两种离散方法离散动张力应变,一种是直接使用Galerkin法离散,另一种是先将动张力应变等效处理,然后再使用Galerkin法离散.由风洞试验测得新月形覆冰四分裂导线的气动力系数,并将各子导线的气动力系数等效,接着利用泰勒展开式拟合气动力系数,选取攻角55°进行舞动分析.基于Runge-Kutta法得到两种离散方法下的位移响应曲线,通过对比这两者位移响应曲线的差别,发现不同的离散方法对系统的相位、频率以及振幅皆有一定程度的影响.本文研究有助于理论建模的完善,并能给予实际工程一些指导.     

海洋平台导管架结构分析中管节点局部柔度的等效单元

本文建立了一种在海洋平台导管架有限元分析中代表管节点局部柔度的等效单元,可有效地反映管节点在轴力和弯矩作用下的局部变形性质,并导出了T型、Y型以及K型管节点的局部柔度等效单元的刚度矩阵。本文建立的等效单元可方便地与通用结构分析有限元程序(如SAP5)配合,对海洋平台导管架进行计及管节点局部柔度的精确静动力分析。作者编制了与SAP5配合使用的前处理程序,可自动生成符合SAP5输入格式的等效单元读入刚度矩阵的数据。文中给出了说明等效单元应用方法的简单算例。与有限元法计算的结果比较表明,用等效单元模拟管节点的局部柔度是必要的和准确可行的。     

基于等效静态载荷法的非线性动态拓扑优化

等效静态载荷法是目前解决动态拓扑优化问题的一种有效方法,但是由于未考虑塑性变形中应力应变关系的时效性,会导致等效载荷偏大和载荷方向偏差,因此无法有效处理材料的非线性问题.据此,提出一种基于模量比率因子的等效静态载荷计算方法.首先,根据结构应力、应变和杨氏模量之间的函数关系,计算各时刻的计算杨氏模量;然后,得到各时刻的模量比率因子,根据位移等效原则计算修正等效静态载荷,进而进行多工况静态拓扑优化,并更新设计变量再次进行动力学分析,重复直至收敛.数值算例表明,修正后的等效静态载荷法能够解决弹塑性材料的非线性问题,在提高等效精度的同时拓展了在非线性材料方面的应用边界.工程算例表明,在相同约束下,采用基于模量比率因子的等效静态载荷法在轻量化的同时能得到更小的塑性应变.     

单自由度超弹性SMA减振结构随机振动控制理论研究

利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）丝的超弹性,提出了一种具有复位功能的阻尼器。在SMA丝的Graesser本构模型基础上,建立了阻尼器恢复力的滑移双线性模型;假定滞回面积相等,提出了恢复力的滑移刚塑性模型以近似简化滑移双线性模型。采用等价线性化法建立了单自由度超弹性SMA减振结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析公式。通过一算例,考虑不同激励谱密度和结构阻尼比：比较了等价线性法和蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟法计算的结构振动响应（位移标准差和速度标准差）,证明了SMA减振结构随机振动控制理论的有效性;比较了等价线性减振结构和无控结构的动力特性（刚度和阻尼比）和振动响应,说明了SMA阻尼器能提高结构的刚度和阻尼比,因而可有效抑制结构的振动。