扩展有限元与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷(夹杂)的位置和大小,遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力,通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷(夹杂)和多个缺陷(夹杂)的结构进行了反演分析,并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明,建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷(夹杂).     

含缺陷半无限长梁在阶跃载荷作用下的塑性动力特性及失效分析

分析了在任意位置含一缺陷的半无限长梁在自由端受阶跃载荷作用下的刚塑性动力响应,重点讨论了结构响应模式和缺陷处的能量耗散,给出了不同载荷大小和缺陷参数组合下的完全解,所得结果对确定管道结构的动态失效准则有参考价值.     

不确定初始几何缺陷壳的动态屈曲分析

研究了动载作用下含有不确定初始几何缺陷壳的动态屈曲问题.给出了不确定初始几何缺陷在椭球描述和区间描述下,壳的动态响应和安全因子的界限估计.从数学证明和数值算例两方面,讨论了基于不确定性初始几何缺陷两种描述的凸模型方法和区间分析方法所得壳动态响应及安全因子的界限的关系,为判断壳的动态屈曲失效提供了依据.     

THE INVERSE ANALYSIS OF INTERNAL DEFECTS (INCLUSIONS) IN STRUCTURES USING A COMBINED XFEM AND GA METHOD

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷（夹杂）的位置和大小，遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力，通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷（夹杂）和多个缺陷（夹杂）的结构进行了反演分析，并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明，建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷（夹杂）.     

基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重,在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先,在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域;最后,在利用智能算法进行反演的过程中,先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演.若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置.为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果,证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.     

基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重, 在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先, 在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域; 最后,在利用智能算法进行反演的过程中, 先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演. 若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置. 为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果, 证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.      

求解含缺陷一维周期结构动力响应的高效算法

基于周期结构的动力特性和群理论,建立了一种高效求解含缺陷一维周期结构动力响应的数值方法。在求解结构动力响应时,高效求解结构对应的线性代数方程组最为关键。采用凝聚技术,可减小结构对应线性代数方程组的规模。基于周期结构动力系统中线性代数方程组的特性,通过一个小规模含缺陷结构和一维周期结构的响应分析,可得到含缺陷一维周期结构的动力响应。同理,一维周期结构的动力响应可通过一系列小规模结构的响应分析得到,且小规模结构的动力响应可基于群理论高效求解。数值算例表明,本文算法有较高的求解效率。     

求解含缺陷一维周期结构动力响应的高效算法

基于周期结构的动力特性和群理论，建立了一种高效求解含缺陷一维周期结构动力响应的数值方法。在求解结构动力响应时，高效求解结构对应的线性代数方程组最为关键。采用凝聚技术，可减小结构对应线性代数方程组的规模。基于周期结构动力系统中线性代数方程组的特性，通过一个小规模含缺陷结构和一维周期结构的响应分析，可得到含缺陷一维周期结构的动力响应。同理，一维周期结构的动力响应可通过一系列小规模结构的响应分析得到，且小规模结构的动力响应可基于群理论高效求解。数值算例表明，本文算法有较高的求解效率。     

基于小波包能量特征的薄膜涂层材料界面缺陷检测法

目前国际上对薄膜涂层界面缺陷尚缺乏有效的探伤方法.本文基于薄膜涂层材料中波传播的模型,考察了在涂层表面施加冲击脉冲激发表面波,测取涂层表面各点的动态特性,结合波形分析技术进行界面缺陷检测的可行性.通过有限元模拟分析产生脉冲载荷并且激发表面波,对涂层表面接收的加速度波响应信号进行小波包数学变换,提取小波包相对能量谱变化率指标,发现加速度信号的小波包相对能量谱变化率指标在存在界面缺陷的区域有显著的变化,并且在缺陷中心区域效果最明显,而且该指标对不同薄膜厚度界面缺陷的具有敏感性,可以通过该指标较准确的判断裂纹的位置和尺寸.此项研究可以为开发薄膜涂层界面缺陷的无损检测方法提供一定的理论基础.     

基于动力与位移耦合的边坡稳定安全系数研究

为克服传统边坡稳定安全系数存在的缺陷,提出以基于动力与位移耦合的卸加载响应比作为新的稳定安全系数对边坡稳定性进行评价.在分析传统的边坡稳定安全系数内涵及局限性的基础上,运用可靠性分析方法,提出以可靠度表达边坡安全程度的设想.从损伤力学的视角由损伤变量推导求得卸加载响应比参数,通过分析论证了卸加载响应比作为可靠度的一种表达形式,可以定量描述边坡的安全程度.并对卸加载响应比的实际应用及其优越性进行了分析,结果进一步表明卸加载响应比作为一种新的边坡稳定安全系数具有合理性、实用性和有效性.     

求解转子系统突加不平衡响应方法的研究

本文提出并研究了用传递函数分析法求转子系统的突加不平衡响应,讨论了求这一响应的最佳数值积分方法。用本文提出的理论解方法及三种常用的数值积分法:尤拉后差法,纽马克法,及呼伯特法,对一模型转子算例进行了分析计算,结果表明;尤拉后差法最适用于求转子系统的突加不平衡响应。本文提出的传递函数分析法,可以和试验模态分析方法相结合,以求解复杂转子系统的突加不平衡响应。     

饱和土体中圆柱形孔洞的动力分析

本文采用工程通用的土力学模型，利用积分变换法推导了置于饱和土体中的圆柱形孔洞瞬态动力响应解答的一般解析表达式，并将其与经典弹性动力学中圆柱形空腔问题的解答作了有价值的比较，文末利用一种十分有效的数值反变换方法给出了有意义的算例。本文为进一步分析岩土工程、地震工程中隧道、管道等地下结构的动力响应提供了有效途径，具有理论与应用价值。     

一种Birkhoff形式下结构动响应问题的保辛中点格式

结构动响应预测是结构设计的基础,是结构振动控制、载荷识别的前提。本文在辛体系下针对结构动响应问题,提出了一种Birkhoff形式下的保辛中点格式。首先引入状态变量,并基于摄动方法将结构动响应方程转化为线性自治Birkhoff方程的形式,进一步利用中心差分推导出线性自治Birkhoff方程的中点格式,其证明是保辛的。该格式不要求Birkhoff方程系数矩阵非奇异,因此适用于奇数维系统。两个不同数值算例的结果充分验证了本文方法的卓越性,也凸显了相对于传统算法在计算精确度和稳定性方面的明显优势。     

圆板在物体撞击下的非线性动力响应

本文在Von Kármán大位移的意义上,利用虚位移原理伽辽金方法建立了圆板在物体撞击下的非线性动力响应的控制微分方程,在研究响应问题时,考虑了冲击载荷与圆板位移响应之间的耦合影响,文中使用时间增量法和奇异摄动理论求解问题的控制方程,获得了固支圆板非线性动力响应的近似解,并且求解了具体算例,绘出了圆板位移、应力响应曲线以及冲击力随时间的变化曲线。     

A quasi-static stability analysis for Biot's equation and standard dissipative systems

In this paper, an extended version of Biot's differential equation is considered in order to discuss the quasi-static stability of a response for a solid in the framework of generalized standard materials. The same equation also holds for gradient theories since the gradients of arbitrary order of the state variables and of their rates can be introduced in the expression of the energy and of the dissipation potentials. The stability of a quasi-static response of a system governed by Biot's equations is discussed. Two approaches are considered, by direct estimates and by linearizations. The approach by direct estimates can be applied in visco-plasticity as well as in plasticity. A sufficient condition of stability is proposed and based upon the positivity of the second variation of energy along the considered response. This is an extension of the criterion of second variation, well known in elastic buckling, into the study of the stability of a response. The linearization approach is available only for smooth dissipation potentials, i.e. for the study of visco-elastic solids and leads to a result on asymptotic stability. The paper is illustrated by a simple example.     

A computational strategy for the random response of assemblies of structures

This paper presents a dedicated approach to the calculation of the random response of assemblies with uncertain interface characteristics. The random response is constructed using a polynomial chaos expansion (PCE). A decomposition of the assemblies into substructures and interfaces is defined and associated with a dedicated computational strategy which leads to a local/global algorithm enabling the treatments of the substructure and of the interface problems to be uncoupled. Since the only uncertain parameters are those which appear in the interface equations, this approach results in a drastic reduction of the computational costs. This paper first presents the classical stochastic finite element strategy for this kind of problem, then details the proposed dedicated approach. The applications concern structures assembled with uncertain elastic bonded joints. The proposed approach is compared to the Monte Carlo method and to the stochastic finite element method.     

具非对称截面单体的双体船的对称波激响应

本文研究了具非对称截面单体的双体船的对称波激响应,包括船体的刚体运动,即升沉和纵摇(沿纵向铅垂面的垂向平移及绕重心的转动),以及振动。一方面由于船体截面的主惯性轴与船体的升沉运动不重合,即振动平面与刚体运动平面不重合。另一方面由于两个单体是通过两个定点相互约束的(即每个单体不但受分布的外荷而且受到集中的外荷),从而使得按照Bishop的水弹性理论研究此波激响应问题变得不可行了。本文推导出此类问题的运动微分方程,提出了解决此类问题水动力的计算方法,把Bishop的理论向前推进了一大步。并对一条对开式泥船进行了计算。     

A mathematical model for cylindrical,fiber reinforced electro-pneumatic actuators

In recent years, dielectric elastomers have received increasing attention due to their unparalleled large strain actuation response (>100%). The force output, however, has remained a major limiting factor for many applications. To address this limitation, a model for a fiber reinforced dielectric elastomer actuator based on the deformation mechanism of McKibben actuators is presented. In this novel configuration, the outer cylindrical surface of a dielectric elastomer is enclosed by a network of helical fibers that are thin, flexible and inextensible. This configuration yields an axially contractile actuator, in contrast to unreinforced actuators which extend. The role of the fiber network is twofold: (i) to serve as reinforcement to improve the load-bearing capability of dielectric elastomers, and (ii) to render the actuator inextensible in the axial direction such that the only free deformation path is simultaneous radial expansion and axial contraction. In this paper, a mathematical model of the electromechanical response of fiber reinforced dielectric elastomers is derived. The model is developed within a continuum mechanics framework for large deformations. The cylindrical electro-pneumatic actuator is modeled by adapting Green and Adkins’ theory of reinforced cylinders to account for the applied electric field. Using this approach, numerical solutions are obtained assuming a Mooney–Rivlin material model. The results indicate that the relationship between the contractile force and axial shortening is bilinear within the voltage range considered. The characteristic response as a function of various system parameters such as the fiber angle, inflation pressure, and the applied voltage are reported. In this paper, the elastic portion of the modeling approach is validated using experimental data for McKibben actuators.     

求非线性转子－轴承系统周期响应的一种计算方法

本文把求非线性转子－轴承系统瞬态响应的分块Ｎｅｗｍａｒｋ方法与打靶法结合求系统的周期解，该方法利用了分块Ｎｅｗｍａｒｋ方法求解速度快的优点和Ｊａｃｏｂｉ矩阵求解时每步不需迭代的特点。本文首先给出周期解的求解公式，然后用一个算例，讨论了周期解的稳定性及失稳后的分岔行为。