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.     

空间钢支撑框架损伤诊断研究

为诊断空间钢支撑框架的损伤,提出了两阶段损伤诊断法.该方法综合了损伤定位向量法和特征灵敏度分析.推导了空间梁、柱和支撑单元的特征应力计算公式,定义了连接单元的特征应力,推导了模态参数差量对结构模型参数的一、二阶灵敏度和梁端连接损伤的梁单元刚度矩阵.完成了一个空间钢支撑框架模型损伤诊断试验,模拟了支撑损伤和连接损伤的7种损伤模式.采用力锤激励方式,使用特征系统实现算法识别模态参数;使用损伤定位向量法判定可能损伤单元,采用二阶特征灵敏度分析确定可能损伤单元的损伤程度.结果表明,当杆件或连接损伤达到一定程度时,两阶段损伤诊断法能有效诊断损伤.     

具有半刚性节点性质的平面刚架弹簧单元的研究

联合应用力法与逐段刚化法推导出具有半刚性节点性质的弹簧节点梁单元和平面刚架弹簧单元的单元刚度方程. 该方法具有物理概念清楚,推导过程简便、巧妙的特点. 本文所建立的弹簧节点梁单元和平面刚架弹簧单元可以应用在具有半刚性节点性质的工程结构的承载力分析与计算中.     

ANCF/CRBF平面梁闭锁问题及闭锁缓解研究

本文系统地研究了基于一致旋转场列式的绝对节点坐标 (ANCF consistentrotation-based formulation, ANCF/CRBF)平面梁单元的泊松闭锁问题及闭锁缓解技术.为了全面理解该类型单元的闭锁特性及明确单元的应用范围,文中首先开发了两种新的ANCF/CRBF刚性截面梁单元, 新单元在ANCF全参数梁的基础上,对梯度向量施加正交矩阵约束, 得到梯度与转角对时间导数之间的速度转换矩阵,从而引入转角参数. 新单元节点处完全消除了泊松闭锁和剪切效应,这是与传统ANCF/CRBF刚性截面梁单元的不同之处. 然后,对比分析了这三种ANCF/CRBF刚性截面梁单元泊松闭锁的特点.发现该类型单元对节点的横向梯度施加了运动学约束, 导致节点处截面不能变形,无法捕捉泊松效应, 但是单元内部能完全捕捉,这种不连续情况会加重单元整体的泊松闭锁问题. 并且发现对单元梯度约束的越多,闭锁问题越严重. 随后, 分别采用两种闭锁缓解技术, 弹性线方法和应变分解方法,进一步研究了单元的收敛性. 最终,通过多种静力学和动力学测试研究了泊松闭锁对ANCF/CRBF平面梁单元计算精度的影响及闭锁缓解技术在该类型单元上的缓解效果.      

金沙江虎跳峡河段岸坡变形破坏的相关动力因子研究

石墨层和单臂碳纳米管都是以C---C共价键结合的. 在小变形条件下C---C键的势能可用谐和函 数来描述，这与梁单元的变形能具有相同的形式，因此可以用梁单元等效C---C键的作用. 提出了一种C---C键的等效梁单元有限元模型，该模型能够完备地替代谐和势描述C---C键的 伸长、面内键角变化、离面键角变化和扭转. 通过分析石墨层的典型受载情况得到了等效梁 单元的参数，以及等效梁单元参数与谐和势参数的关系，并用该模型计算了单臂碳纳米管的 杨氏模量和泊松比，计算结果为相关文献所验证.     

两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法

对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation, LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率. 有限元方法中,闭锁问题是导致单元收敛性能低下的主要原因, 例如梁单元的剪切以及泊松闭锁.多变量变分原理是缓解梁、板/壳单元闭锁的有效手段. 该方法不仅离散位移场,同时离散应力场或应变场, 可提高应力与应变的计算精度. 本文基于上述局部标架,研究几类梁单元的闭锁处理方法, 包括几何精确梁(geometrically exact beam formulation, GEBF)与绝对节点坐标(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)梁单元. 其中, 采用Hu-Washizu三场变分原理缓解几何精确梁单元中的剪切闭锁,采用应变分解法缓解基于局部标架的ANCF全参数梁单元中的泊松闭锁. 数值算例表明,局部标架的梁单元在描述高转速或大变形柔性多体系统时,可消除刚体运动带来的几何非线性, 极大地减少系统质量矩阵和刚度矩阵的更新次数.缓解闭锁后的几类局部标架梁单元收敛性均得到了明显提升.      

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

与应变模态分析有关的若干问题

本文阐述了应变模态分析的基本原理及相应的参数识别方法，讨论了应变传递函数与应变模态振型、应变传递函数的性质，模态参数的识别以及应变传递函数与激振力谱、应变响应谱之间的关系。     

区间五次Hermite样条多小波Euler-Bernoulli梁单元

首先采用区间五次Hermite样条函数,分别构造了三节点梁的边界和中间节点的多小波尺度函数,然后,基于小波多辨分析思想,构建了梁单元位移多尺度近似空间的基函数系;最后,采用最小势能原理,得到弯曲梁的平衡方程,从而构造了区间五次Hermite样条多小波Euler-Bernoulli梁单元。算例结果表明,该小波单元可通过改变尺度来重新划分网格,从而可自由调节单个小波单元的计算精度,其计算精度与在相同网格划分下采用传统三节点Hermite梁单元计算的完全一致;与其它小波单元相比较,该小波单元具有计算简单明了,物理意义明确,易于理解的特点。     

等截面梁有限变形的传递函数解法

本文应用传递函数方法对等截面梁的有限变形进行了分析,对于等截面梁的有限变形问题,该方法从变分方程出发把问题表述为状态空间的形式,然后利用Gauss积分对轴力进行加速迭代求解,不需要进行增量迭代即可取得具有良好计算精度的数值结果,对简单受力的等截面梁情况该解可以看作是所讨论问题的精确解。对于受力比较复杂或者阶梯变截面梁情况,为减少运算量,可以和有限元法类似,采用多个单元进行拼接,从而得到问题的解。数值算例表明,本方法具有半解析、精度高、收敛快等特点。     

分级周期梁结构的振动带隙特性优化研究

针对分级周期梁结构,进行了振动带隙特性优化研究,以期提高结构的减振性能。采用谱元法计算分级周期梁的频响曲线,并结合传递矩阵法计算结构的色散关系,将两种方法相结合来研究结构的振动带隙特性。构建带隙占比函数作为优化目标函数,将单胞结构的尺寸作为优化参数进行带隙特性优化。经过优化,使得在研究频段内带隙特性大大提高。通过与有限元法和振动实验相对比,验证了谱元法计算和优化结果的正确性。研究内容对于提高周期结构的振动带隙特性和减振应用提供有益参考。     

Calculation of higher natural frequencies of simply supported elastic composite beams using Riccati matrix method

A composite beam is composed of an upper slab and a lower beam connected at the interface by shear transmitting studs. In this paper, an improved and efficient numerical model for the calculation of higher natural frequencies of an elastic composite beam is presented. The numerical model uses the Riccati transfer matrix method. First, the exact field transfer matrix for an element of the beam is represented using the combination of the Analog Beam Method and the transfer matrix method. Second, applying Riccati method to the beam system, the natural frequencies can be easily calculated. The advantage of the present model is to overcome the numerical instabilities of the ordinary transfer matrix method, especially when calculating the higher natural frequencies of structures. A numerical example is given to illustrate and compare the results with those available from other methods. Finally, a parametric study is given to examine the effect of various parameters of the elastic composite beam on its free vibration behavior.     

基于广义卡尔曼滤波的桥梁结构物理参数识别

基于广义卡尔曼滤波提出了随机荷载作用下桥梁结构物理参数的识别方法。首先,以荷载为观测对象,推导出基于有限元模型的桥梁结构系统的观测方程,以结构待识别的物理参数为状态向量,建立系统状态方程;然后,对该状态方程和观测方程构成的非线性参数系统应用广义卡尔曼滤波,从而识别出结构的物理参数。对一座简支梁桥和一座三跨连续梁桥在不同工况下的物理参数识别进行了数值仿真,结果表明本文方法能够准确地识别桥梁结构全部刚度参数、质量参数和阻尼参数,且具有很强的抗噪性能,从而验证了本文方法的有效性和鲁棒性,可应用于识别大型桥梁结构的物理参数。     

随机结构有限元分析的递推求解方法

提出了一种新的谱随机有限元分析方法——递推求解方法。该方法将随机结构的随机响应表示成非正交多项式展式,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并通过确定性有限元方法对这些递推方程进行静力问题求解。算例表明,当随机量出现较大涨落时,计算结果相对于传统摄动法有不小的改进。     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力响应和结构参数之间复杂的隐式关系用显式函数近似表达出来;在此响应面模型(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.     

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.      

Spectral strip-element method for beams treated with active constrained layer damping

For vibration analysis of beams fully treated with active constrained layer damping (ACLD), a new approach called spectral strip-element method (SSEM) based on the spectral finite element method (SFEM) is proposed. It can avoid difficulties in solving the characteristic equation with higher orders and unknown parameters for wave numbers when using the SFEM; simultaneously, advantages of a very few elements and high accuracy of the SFEM are kept. A numerical example shows that the proposed method is very effective and reliable, compared with the exact solutions resulted from the spectral transfer matrix method (STMM).     

基于拓扑优化的结构弹性成像方法

弹性模量是工程材料重要的性能参数, 可以衡量物体抵抗弹性变形的能力. 弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法. 为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别, 提高弹性成像的局部表征和全局识别能力, 提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法. 受拓扑优化理论启发, 采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度, 建立成像参数与弹性模量的插值模型, 基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系. 以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数, 以成像参数上下限为约束, 建立结构弹性成像的优化模型. 以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度, 并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式. 二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明, 本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息, 可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像, 且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件, 进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.      

Stochastic response of an axially loaded composite Timoshenko beam exhibiting bending–torsion coupling

A spectral finite element method is proposed to investigate the stochastic response of an axially loaded composite Timoshenko beam with solid or thin-walled closed section exhibiting bending–torsion materially coupling under the stochastic excitations with stationary and ergodic properties. The effects of axial force, shear deformation (SD) and rotary inertia (RI) as well as bending–torsion coupling are considered in the present study. First, the damped general governing differential equations of motion of an axially loaded composite Timoshenko beam are derived. Then, the spectral finite element formulation is developed in the frequency domain using the dynamic shape functions based on the exact solutions of the governing equations in undamped free vibration, which is used to compute the mean square displacement response of axially loaded composite Timoshenko beams. Finally, the proposed method is illustrated by its application to a specific example to investigate the effects of bending–torsion coupling, axial force, SD and RI on the stochastic response of the composite beam.     

General analytic solution of dynamic response of beams with nonhomogeneity and variable cross-section

In this paper, a new method, the step-reduction method, is proposed to investigate the dynamic response of the Bernoulli-Euler beams with arbitrary nonhomogeneity and arbitrary variable cross-section under arbitrary loads. Both free vibration and forced vibration of such beams are studied. The new method requires to discretize the space domain into a number of elements. Each element can be treated as a homogeneous one with uniform thickness. Therefore, the general analytical solution of homogeneous beams with uniform cross-section can be used in each element. Then, the general analytic solution of the whole beam in terms of initial parameters can be obtained by satisfying the physical and geometric continuity conditions at the adjacent elements. In the case of free vibration, the frequency equation in analytic form can be obtained, and in the case of forced vibration, a final solution in analytical form can also be obtained which is involved in solving a set of simultaneous algebraic equations with only