不确定性移动载荷激励下弹性简支梁的动态响应边界分析及应用

不确定性移动载荷激励下的弹性梁振动是土木、机械和航空航天等工程领域普遍存在的一类重要问题。在许多实际工程中,不确定移动载荷的样本测试数据有限或测试成本较高,本文引入区间过程模型对此类动态不确定性参数进行描述,提出了一种求解不确定移动载荷激励下弹性梁振动响应边界的非随机振动分析方法。首先,介绍了确定性移动载荷激励下弹性梁的振动微分方程及其解析求解方法;其次,引入区间过程模型,以上下边界函数的形式对不确定性移动载荷进行度量,进而基于模态叠加法发展出弹性梁振动响应边界求解的非随机振动分析方法;最后,将上述非随机振动分析方法应用于车桥耦合振动问题。     

基于区间分析的工程结构不确定性研究现状与展望

随机分析方法、模糊分析方法是已经广泛使用的工程结构不确定性分析方法, 近年来区间分析方法逐渐为人们所熟知并成为是一种新的工程结构不确定性分析方法,它主要用来研究具有区间特性的工程结构. 区间分析方法在统计信息不足以描述不确定参数的概率分布或隶属函数、工程单位仅提供不确定参数的区间范围而想获得结构响应的区间范围时就发挥了其优点. 综述了区间分析方法及其在工程结构不确定性分析中的应用状况, 将基于区间分析的工程结构不确定性问题研究归结为以下4个方面: 不确定性结构系统的区间有限元分析; 基于区间的非概率可靠性分析; 工程结构区间反演分析; 基于区间参数的结构优化设计. 分析评价了国内外在这几个方面的研究成果及其最新进展, 同时指出目前研究中存在的问题和研究的方向.      

考虑参数不确定性的非线性梁随机振动分析

非线性系统的随机振动分析一直是结构动力学领域中的难点,已有一些研究表明基于矩等效的线性化方法在功率谱预测上会得到不恰当的分析结果;另一方面,由于不确定性在实际工程中普遍存在,如果同时考虑非线性和不确定性,更是显著增加了问题难度。本文以具有非线性非理想边界梁为研究对象,基于梁模型的动力学微分方程推导了对应的广义频响函数,并应用Volterra级数理论建立了非线性系统随机振动的谱分析方法,最后,结合蒙特卡洛抽样方法计算了具有参数不确定性非线性梁响应功率谱的均值和方差,讨论了不确定性对结构随机振动响应统计特征的影响。     

广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较研究

以结构随机风振响应分析为背景,考察了线性体系在平稳风荷载激励下的随机动力反应,进行了广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较.基于物理随机系统研究框架,平稳脉动风荷载模型化为随机Fourier谱.分别以线性单自由度体系和线性多自由度体系为研究对象,比较分析了系统响应的概率密度演化解、理论平稳解和虚拟激励法解答.结果表明,分析系统有限时间内的随机动力反应,概率密度演化方法不仅能够获得渐近平稳段的稳态响应,而且能够反映响应非平稳初始效应的影响,与经典随机振动理论的虚拟激励法解答在均方特征意义上是等价的.     

空间相关过滤白噪声激励下结构的随机振动离散分析方法

以随机振动的离散分析方法为基础,讨论了在空间相关过滤白噪声激励下结构的随机振动分析,给出了计算结构均值和均方响应的具体公式,并对一空间索网结构进行了风振响应计算。     

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.     

比例边界有限元二阶灵敏度设计及断裂力学分析

比例边界有限元是一种只需在边界上划分网格且无需基本解的半解析方法,能有效处理应力奇异性和无边界问题.论文提出了一种比例边界有限元的二阶灵敏度分析方法,可以准确而高效地求解响应关于参数的二阶梯度.首先通过建立仅需右特征向量的哈密顿矩阵特征灵敏度分析方程,发展了一种改进的比例边界有限元一阶灵敏度分析方法;其次,进一步通过构建二阶哈密顿矩阵特征灵敏度分析方程,并对比例边界有限元系统方程进行一系列二次直接微分,提出了一种半解析形式的比例边界有限元二阶灵敏度分析方法.该方法被应用于线弹性裂纹结构的形状灵敏度分析和不确定性传播分析.最后,给出了两个数值算例验证论文方法的有效性.     

随机参数多自由度体系在平稳随机反应下的系统动力可靠性

对具有随机参数的多自由度体系,提出了求解其系统动力可靠度上、下限的一种计算方法。考虑结构的物理和几何参数具有随机性,从结构随机响应的频域表达式出发,利用求解随机变量数字特征的代数综合法和矩法,导出了随机参数多自由度体系在平稳随机激励下的平稳随机反应均方值的数字特征,再由动力可靠性的Poisson公式导出了随机参数结构的动力可靠度的计算公式,然后根据系统可靠性分析方法,分析了随机参数多自由度体系的系统动力可靠性,最后给出了系统动力可靠度上、下限的计算公式,并给出一个算例。     

单自由度"加层"减震结构地震作用取值的复模态法

运用复模态方法,以我国现行设计反应谱为基础,对单自由度TMD和“加层”减震结构地震响应及地震作用取值问题进行了系统研究。首先用复模态法将非经典阻尼非对称结构运动方程解耦,然后运用随机振动理论获得结构的动力响应解析式,并建立将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系与反应谱的对应关系,确定结构动力响应表达式中各参数的取值,建立结构基于反应谱的设计响应及其等效静态地震作用的设计方法,并给出了算例,从而建立了非经典阻尼非对称结构基于反应谱的地震作用取值的一整套方法。     

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.     

移动随机荷载作用下梁桥非平稳随机振动的PEM-FFT方法

针对移动随机载荷作用下桥梁结构非平稳随机振动问题,建立了一种基于频域分析的虚拟激励-傅里叶变换方法(PEM-FFT)。与通常的非平稳随机振动的时频分析方法不同,提出的方法完全在频域上执行。其主要特色是能够给出随机输入与随机输出的频域关系,表明移动载荷作用下结构非平稳随机振动分析仅需对载荷的确定性移动函数项进行计算。数值算例考虑了等截面/变截面简支梁受移动随机载荷作用的问题,首先与通常的时频分析方法进行对比,验证了PEM-FFT方法的正确性和有效性,进一步讨论了不同结构形式以及不同载荷移动速度对响应演变统计量的影响。     

动态结构系统的频率可靠性稳健设计研究

针对随机动态结构系统振动问题进行研究,提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法;在此基础上,推导出频率可靠性灵敏度计算公式,研究设计参数的改变对随机动态结构系统频率可靠性的影响,给出各随机参数可靠性灵敏度的变化规律;并将频率可靠性及其灵敏度分析方法与可靠性优化设计方法相结合,提出了频率可靠性稳健优化设计方法,同时以一简化的两自由度的车身-车轮-路面关系的1/4离散系统模型为例,对该模型进行了频率可靠性稳健设计的研究,其理论计算结果与工程实际情况完全一致,也说明了所提方法的有效性和实用性,为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的理论依据。     

复合随机振动分析的扩阶系统方法

提出了随机结构系统反应的子空间次序正交分解的思想．基于这一思想，文中导出了一类用于考虑随机激励的随机结构复合随机振动分析的扩阶系统方法，从而可以应用传统的确定性结构随机振动各种分析方法求解复合随机振动问题．作为特例，本文给出了使用模态分析法求解的过程．将文中算例与随机模拟结果相比较，证实了本文思想与方法的实用性．     

非平稳随机激励作用下多自由度体系系统动力可靠性研究

首先应用Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ的演变谱理论，推求了多自由度线性体系在非平稳随机激励作用下的响应演变谱密度和时变均方响应。同时结合首次超越理论，分析了在非平稳随机激励作用下，多自由度体系系统动力可靠性问题。最后讨论了确定多自由度体系系统动力可靠性上下限的问题。     

泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解

自然界与工程中都普遍存在着随机扰动, 且大多数呈现出固有的非高斯性质, 若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差. 泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型, 已引起了广泛的关注. 目前, 泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究, 而针对瞬态响应的求解难度仍较大, 需进一步发展. 本文引入径向基神经网络, 提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法. 首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK) 方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络; 然后采用有限差分法离散时间导数项, 并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数; 最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数. 作为算例, 探究了两个经典强非线性系统, 并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证. 结果表明: 本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好, 并且算法具备较高的计算效率. 在系统响应的整个演化过程中, 本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征. 此外, 本文方法所获得的高精度半解析瞬态解, 不仅可作为基准解检验其他非线性随机振动分析方法的精度, 对于结构的优化设计也存在巨大的潜在应用价值.      

区间可靠性分析方法及在地下隧道结构计算中的应用

基于工程结构不确定性的区间分析方法,本文将区间分析方法与可靠性分析方法相结合,探讨了一种可以获得区问可靠指标的可靠性分析方法.依据结构失效准则确定的功能函数在一定区间内变化,进而得出了可靠指标的变化区间,在得到区间可靠指标的同时也得到了一种反映结构稳健性的稳健可靠指标.结合区间有限元的优化计算方法,对某地下隧道结构进行了区间可靠性分析,所得区间可靠性指标合乎规律.     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

非平稳地震动的双调制模型研究

地震动是工程结构地震反应研究与抗震设计的基础,要分析工程系统的性能,必须要把地震动作为随机过程来建立可靠的模型。本文通过对非平稳过程演变谱的研究,给出双调制函数,建立了双调制非平稳地震地面运动模型。结合双调制函数和三角级数法生成人工地震波,通过对人工波频率和强度的非平稳性研究验证了双调制模型的有效性。同时本文给出了双调制非平稳地震激励的结构响应虚拟激励算法,得到响应的时变功率谱。分析表明,该模型具有明确的物理意义,且更符合实际,为结构抗震可靠性分析提供了一种较好的地震动模型。     

一种基于区间过程模型的时变可靠性分析方法

本文提出了一种基于区间过程模型的时变可靠性分析方法来处理涉及区间变量和区间过程的问题.首先,定义一种基于极值响应的可靠性指标来度量区间变量和区间过程不确定性下结构的可靠性.其次,建立并求解一双层优化模型以获得可靠性指标.在内层中,使用EGO方法计算功能函数关于时间的极值响应;在外层中,对极值响应关于原始区间变量和区间过程级数展开获得的区间变量进行优化,以得到其上边界和下边界.最后,通过两个例子以验证本文方法的有效性.