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介绍了运动机器人针对动态变化环境的运动控制与决策(如运动障碍物规避,运动 目标跟踪等)问题. 分别从速度空间控制决策的角度分析阐述了运动 决策的基本方法,以及各自的特点. 提出了关于随机运动障碍物与目标的避障问题以及解 决思路,从而建立起基于概率分析的全局优化的速度避障决策方案. 通过仿真试验说明了方 法的有效性,并与传统非概率分析的实时局部决策的方法进了比较与评价.     

短脉冲激光加热分数阶导热及其热应力研究

短脉冲激光加热引起材料内部复杂的传热过程及热变形,现有的以Fourier定律或Cattaneo-Vernotte松弛方程结合弹性理论为框架建立起来热应力理论在刻画其热物理过程存在严重缺陷. 本文基于分数阶微积分理论, 以半空间为研究对象, 建立了分数阶Cattaneo热传导方程和相应的热应力方程, 给出了问题的初始条件和边界条件, 采用拉普拉斯变换方法, 给出了非高斯时间分布激光热源辐射下温度场和热应力场的解析解, 研究了短脉冲激光加热的温度场及热应力场的热物理行为. 数值计算中, 首先对理论解进行数值验证, 然后取分数阶变量$p=0.5$研究温度场和热应力场的变化特点及激光参数对温度和热应力的影响,最后数值计算分数阶参数对温度和热应力场的影响. 计算结果表明, 分数阶Cattaneo传热方程和热应力方程描述的温度和热应力任然具有波动特性,与经典的Fourier传热模型和标准的Cattaneo传热模型相比, 分数阶阶次越大, 热波波速越小, 热波波动性越明显; 反之, 则热波波速越大, 热扩散性越强.激光加热和冷却的速度越快, 温度上升和下降的速度越快, 压应力和拉应力交替变化越快, 温度变化幅值越小, 热应力幅值影响不明显.      

含不确定参数弹簧质量系统振动反问题的区间分析法

将不确定参数用区间向量进行定量化,基于区间数学理论提出一种可以预测弹簧质量系统的弹簧系数和质量所在范围的非概率区间分析方法。与传统的概率分析方法相比,它只需确定不确定参数所在范围的界限,而不需要其它任何概率统计信息。通过数值算例,以Monte Carlo模拟结果作为基础将区间分析方法与概率分析方法进行了比较,显示了不确定参数在小范围内变化时区间分析方法的有效性和数值稳定性。     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

随机结构系统的一般实矩阵特征值问题的概率分析

由于工程实际结构的复杂性和所用材料在统计上的离散性以及测量、加工、制造误差的存在，必然导致具有随机参数的随机结构振动系统，按结构参数的性质来划分，随机振动问题包括两方面内容：(1)确定结构问题；(2)随机结构问题。本文以现代数学理论为依托，研究了随机结构系统的一般实矩阵的特征值问题。根据Kronecker代数、向量值和矩阵值函数的灵敏度分析、一般二阶矩法和概率摄动技术给出了计算随机结构系统的一般实矩阵的特征值和特征向量的数值方法，可以有效地得出随机结构系统的一般实矩阵的特征向量的统计量，发展了2D矩阵值函数的随机结构系统的特征值问题概率分析理论。     

基于不同MCMC抽样子集模拟的模型修正方法对比研究

子集模拟方法作为结构可靠度分析方法,也可应用于工程优化问题,诸如优化设计、模型修正等．为研究基于不同蒙特卡洛马尔可夫链(MonteCarloMarkovChain,MCMC)抽样的子集模拟优化方法(Subset Simulation Optimization, SSO),以有限元模型修正作为优化背景问题,开展其精度和效率的对比研究．介绍标准SSO和子集模拟(Subset Simulation, SS)常见的MCMC抽样方法,并基于上述不同MCMC抽样的SSO开展某局部损伤悬臂梁（10维变量）的有限元模型修正,修正结果与基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的模型修正方法进行对比;而后将上述不同MCMC抽样的SSO修正方法应用于某四层钢框架有限元模型修正中（11维变量）．结果表明,采用随机游走的延迟拒绝修正M-H方法(MMH algorithm with Delayed Rejection, MMHDR)和自适应条件抽样方法(Adaptive Conditional Sampling, ACS)的SSO有限元模型修正具有较好的精度和效率,在工程结构有限元模型修正中更具...     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

基于细观力学方法的底部充填封装芯片接合层的热应力计算

底部充填是一种用来提高电子产品在恶劣环境下工作的稳定性及可靠性的技术,是电子制造产业的常用方法．本文基于细观力学方法建立了计算底部充填封装芯片热应力的方法．针对底部充填封装芯片焊锡-充填物接合层的结构特点,我们建立了接合层的均一化模型,并从理论上推导了接合层的等效弹性常数、热膨胀系数和导热系数．运用该均一化模型,我们对封装芯片工作产热导致的热传导和热应力问题进行了有限元数值模拟,计算的结果与接合层未均一化的模型具有较好的一致性,而计算效率极大提高,显示了该方法在计算底部充填封装芯片热应力方面的可行性．     

固体表面开裂的周期图案: II. 应用与防害

 介绍古往今来人类应用热应力开裂现象的几个重要成就, 包括古 代宏伟的都江堰工程中利用热应力劈山开渠, 现代地热发电站的人工网状裂纹热水库建设, 艺术陶瓷开片(裂)的国宝级艺术珍品和焦炭块尺寸的热应力控制. 也介绍了热应力开裂 造成灾害或灾难的预防措施与相关研究.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一.边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用.本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为.首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解.其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数.最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子.探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.     

基于主动学习Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

对于具有多失效模式的结构可靠度计算问题,利用多输出Kriging模型作为代理模型进行分析。该代理模型只需对所有功能函数进行一次建模,无需对每个功能函数建立各自的代理模型,且在建模过程中能够考虑各失效模式之间的相关性。本文方法设定的初始样本点不仅对随机变量均值附近区域给予足够重视,而且能够兼顾设计空间的边缘区域,进而确保初始代理模型在全局空间内具有较好精度,以减少后续利用学习函数更新代理模型的次数。数值算例表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,当失效模式较多时,计算效率大幅提升。     

基于粒子群-AK-MCS法的结构可靠性分析

Kriging代理模型由于其良好的非线性拟合能力,在可靠性分析领域得到了广泛的应用。为提高Kriging模型的建模效率,本文提出一种混合粒子群算法的AK-MCS法,该方法在保证模型精度的前提下减少了构建代理模型时的迭代次数,且提高了模型的全局寻优能力。以一10杆桁架结构为研究对象,通过建立结构控制位移与杆件截面面积和集中荷载之间的代理模型,快速求解桁架结构的失效概率。研究表明,本文方法有效提高了Kriging模型建模效率和建模精度,在计算复杂工程结构时具有一定的可行性。     

基于多重子域代理模型的结构可靠性分析

基于合理子域概念，构建多重代理模型。多重代理模型在合理子域内采用经典响应面模型，在合理子域外采用经典Kriging模型，能够充分利用两种经典模型各自的优势。多重代理模型能够合理规避经典响应面模型中响应函数采取事先假定形式带来的可靠度评估风险，同时能够有效避免经典Kriging模型中试验点组合爆炸的问题。相比经典响应面模型，多重代理模型所需试验点数量并未增加，计算效率与经典响应面模型大体相同。算例表明，本文方法的计算结果与MCS的计算结果几乎一致，具有较好的计算精度。     

基于Kriging代理模型的迭代更新高效反演方法

为提高混凝土坝等大体积结构参数反演效率和精度,减少由于应用有限元进行大量正分析而产生的计算机时,建立了一种结合Kriging代理模型和粒子群优化(PSO)算法的迭代更新反演方法。通过拉丁超立方抽样(LHS)方法确定初始样本点的空间分布,并使用有限元正分析获取对应的响应值,构建粗糙的初始代理模型,结合具有全局寻优能力的PSO算法,反演大体积结构的分区弹性模量,随之再代入有限元模型中,计算获取新的位移响应,并将其作为新样本加入到样本集中,通过迭代更新获得局部更高精度的代理模型。工程实际算例表明,该方法对混凝土坝等大体积结构参数反演精度较高和适用性好,且能大幅减少传统有限元模型反演方法所需消耗的正分析机时,提高反演效率。     

Sampling-Based RBDO of Ship Hull Structures Considering Thermo-Elasto-Plastic Residual Deformation

We present a shape optimization method using a sampling-based RBDO method linked with a commercial finite element analysis (FEA) code ANSYS, which is applicable to residual deformation problems of the ship hull structure in welding process. The programming language ANSYS Parametric Design Language (APDL) and shell elements are used for the thermo-elasto-plastic analysis. The shape of the ship hull structure is modeled using the bicubic Ferguson patch and coordinate components of vertices, tangential vectors of boundary curves are selected as design variables. The sensitivity of probabilistic constraint is calculated from the probabilistic sensitivity analysis using the score function and Monte Carlo Simulation (MCS) on the surrogate model constructed by using the Dynamic Kriging (DKG) method. The sequential quadratic programming (SQP) algorithm is used for the optimization. In two numerical examples, the suggested optimization method is applied to practical residual deformation problems in welding ship hull structures, which proves the sampling-based RBDO can be successfully utilized for obtaining a reliable optimum design in highly nonlinear multi-physics problem of thermo-elasto-plasticity.     

Modeling the effects of material non-linearity using moving window micromechanics

In the analysis of materials with random heterogeneous microstructure the assumption is often made that material behavior can be represented by homogenized or effective properties. While this assumption yields accurate results for the bulk behavior of composite materials, it ignores the effects of the random microstructure. The spatial variations in these microstructures can focus, initiate and propagate localized non-linear behavior, subsequent damage and failure. In previous work a computational method, moving window micromechanics (MW), was used to capture microstructural detail and characterize the variability of the local and global elastic response. Digital images of material microstructure described the microstructure and a local micromechanical analysis was used to generate spatially varying material property fields. The strengths of this approach are that the material property fields can be consistently developed from digital images of real microstructures, they are easy to import into finite element models (FE) using regular grids, and their statistical characterizations can provide the basis for simulations further characterizing stochastic response. In this work, the moving window micromechanics technique was used to generate material property fields characterizing the non-linear behavior of random materials under plastic yielding; specifically yield stress and hardening slope, post yield. The complete set of material property fields were input into FE models of uniaxial loading. Global stress strain curves from the FE–MW model were compared to a more traditional micromechanics model, the generalized method of cells. Local plastic strain and local stress fields were produced which correlate well to the microstructure. The FE–MW method qualitatively captures the inelastic behavior, based on a non-linear flow rule, of the sample continuous fiber composites in transverse uniaxial loading.     

一种结构响应预测策略与新可靠度分析方法

工程结构在服役期不可避免地遭受各种不确定因素的侵害,为客观科学地描述不确定因素的影响,可靠度理论得以产生和发展。但传统的可靠度分析方法囿于精度和效率等原因,难以应用于实际工程结构。近年来基于概率守恒原理,概率密度演化理论提出并得到发展。但对复杂的工程结构,效率低下等问题依然有待解决。鉴于此,本文提出两级剖分概率空间的概念,以粗剖分获得的少量代表样本构成训练集,训练Kriging模型;然后细剖分概率空间,通过训练的Kriging模型预测加密样本响应提高分析效率。基于此,结合以概率密度演化理论为基础的物理综合法,提出了一种新的可靠度分析方法。通过对一解析系统和一幢钢筋混凝土框架结构的响应预测与可靠度分析,证明了新提出方法的精度和效率。     

透平转子的可靠性设计

介绍透平转子的可靠性设计方法。该方法以传统的转子强度和振动的设计方法为基础,把透平转子的静应力、材料静强度、应力幅、尺寸系数、表面加工系数、应力集中系数、材料疲劳极限、热疲劳累积损伤程度、材料低周疲劳程度、蠕变寿命、固有频率、激振力频率、不平衡响应等处理为随机变量,使用机械概率设计法确定转子设计的可靠度。文中给出了透平转子静强度、疲劳强度、热疲劳、蠕变寿命、避开弯曲共振、避开扭转共振和限制不平稳响     

融入压力分布信息的气动力建模方法

气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.      

基于有限材料参数试验数据的横观各向同性板结构随机有限元分析与验证

当材性试验数据有限时,为了研究各力学参数的离散性和不确定性对结构性能计算的影响,需要对材料参数采用随机变量建模并基于概率理论构建刚度矩阵的随机模型。为此,首先将随机弹性张量分解为一组基张量和由材料参数构成的随机系数的线性组合,以考虑刚度矩阵各分量间的统计相关性;并利用最大熵原理确定由上述随机系数组成的随机向量的概率密度函数。采用基于Metropolis-Hasting算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法用于计算与之相关的概率模型的拉格朗日乘子,并通过Matlab生成材料参数的随机样本。最后采用蒙特卡罗随机有限元法对横观各向同性材料构成的板式结构在不同荷载下的力学行为进行了数值分析。以刨花板材料为典型案例,与试验结果对比,验证了本文方法的效果和实用性。