响应面法在结构参数灵敏度及可靠性分析中的应用

采用Box-Behnken 矩阵设计方法进行试验设计,并根据设计点的响应,利用最小二乘回归法建立响应面函数. 将响应面函数中参数的梯度信息与其分散程度结合,得到各参数的灵敏度系数,再归一化灵敏度系数得到概率灵敏度;将响应面模型与一次二阶矩法相结合计算结构的可靠度. 针对一个具体算例,分别采用基于响应面法与基于ANSYS 的Monte Carlo 法计算了结构的灵敏度及可靠度值,结果的一致性验证了该方法的有效性.     

不确定结构动力区间分析方法研究

将结构中的不确定性参数用区间数来表示,建立了系统的区间动力特征方程和动力控制方程.通过将Monte Carlo方法引入到区间分析中来,并改进了一般Monte Carlo方法在区间模拟中存在的缺陷,对区间动力特征方程和动力控制方程进行了求解,得到了结构的固有频率、位移响应和应力响应的区间计算结果.算例表明改进的Monte Carlo方法求解简单,具有普适性,能够给出较高精度的响应区间.     

CFRP加固RC梁的模糊随机可靠度数值模拟

CFRP加固RC结构可靠度的不确定性,不仅要考虑随机性,也要考虑模糊性.本文根据模糊数学与可靠性理论,研编了引入模糊示性函数的Monte Carlo计算程序,通过试验讨论模糊示性函数的确定方法.利用Matlab软件,直接产生随机变量数组,解决Monte Carlo 抽样困难.CFRP加固梁破坏试验获得全部随机变量的统计参量.编制基于Matlab的Monte Carlo计算程序,完成了对CFRP加固RC梁抗弯模糊随机可靠度数值模拟,模拟计算结果得到传统FOSM法验证.     

状态模糊下主客观不确定性同时存在的重要性测度分析

为了分析状态模糊下主观不确定性对失效概率的影响,定义了两种重要性测度指标：相关系数和相关比。针对传统的Monte Carlo方法计算量大的缺点,利用近似方法引入一个比例系数C将三层Monte Carlo循环简化成双层循环。为了进一步减小计算量,本文建立了一种状态模糊下主客观不确定性同时存在时重要性测度指标求解的移动最小二乘MLS（Move Least Square）法。该方法通过移动最小二乘策略拟合主观变量与响应量输出之间的映射关系,并根据此关系可以很方便地得到模型的条件响应输出,进而得到主客观不确定性同时存在情况下的重要性测度。本文算例验证了所提方法的效率和精度。     

随机激励下滞迟系统的稳态响应闭合解

滞迟系统属于一类典型的强非线性系统,滞迟力不仅取决于系统的瞬时变形,还与变形历程有关.虽然滞迟系统的随机振动问题已被广泛研究,但至今尚未得到滞迟系统随机响应概率密度函数的精确闭合解.本文运用迭代加权残值法获得了高斯白噪声激励下Bouc-Wen滞迟系统稳态响应概率密度函数的近似闭合解.首先,运用等效线性化法求出系统的稳态高斯概率密度函数;然后以此构造权函数,应用加权残值法求得了系统指数多项式形式的非高斯概率密度函数;最后引入迭代的过程,逐步优化权函数,提高计算所得结果的精度.以随机地震激励下钢纤维陶粒混凝土结构的稳态响应作为算例,其中Bouc-Wen模型的参数是基于拟静力学试验数据,并应用最小二乘法辨识获得.与Monte Carlo模拟结果相比,等效线性化法得到的结果精度较差;由加权残值法得到的结果能够表现出非线性特征,但其精度依然无法令人满意;采用迭代加权残值法得到的近似闭合解与Monte Carlo模拟的结果吻合非常好;对于较强随机激励情形,采用渐进迭代加权残值法具有较高的求解效率,所获得的理论解析解具有较高的精度.结果表明,所获得的近似闭合解不仅对于土木工程领域具有重要的实际应用价值,而且还可作为检验其他非线性系统随机响应预测方法的精度的标准.     

状态模糊下主客观不确定性同时存在的重要性测度分析

为了分析状态模糊下主观不确定性对失效概率的影响,定义了两种重要性测度指标:相关系数和相关比。针对传统的Monte Carlo方法计算量大的缺点,利用近似方法引入一个比例系数C将三层Monte Carlo循环简化成双层循环。为了进一步减小计算量,本文建立了一种状态模糊下主客观不确定性同时存在时重要性测度指标求解的移动最小二乘MLS(Move Least Square)法。该方法通过移动最小二乘策略拟合主观变量与响应量输出之间的映射关系,并根据此关系可以很方便地得到模型的条件响应输出,进而得到主客观不确定性同时存在情况下的重要性测度。本文算例验证了所提方法的效率和精度。     

随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.      

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。     

DYNAMICS ANALYSIS OF STOCHASTIC SPATIAL FLEXIBLE MULTIBODY SYSTEM 1)

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.     

离散系统通用动力学方程求解算法的研究进展

离散系统中的颗粒物在凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核、沉积等事件作用下颗粒尺度分布的时间演变由通用动力学方程所描述.该方程为一典型的部分积分微分方程,普通数值方法难以求解.本文详细介绍了求解通用动力学方程的矩方法、分区法、离散法、离散-分区法、MonteCarlo方法等几种算法的原理、优缺点和最新的研究进展,并着重介绍了MonteCarlo算法,包括基于时间驱动Monte Carlo方法、基于事件驱动MonteCarlo方法、常数目法、常体积法以及多重Monte Carlo算法.      

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON DYNAMIC RESPONSE UNDER RUDDER CONTROL

针对超声速机动飞行器舵面操纵动态响应问题,开展了相应的算法研究,建立了适用于模拟舵面与弹体相对运动及弹体气动力动态响应的非定常计算方法和局部动态网格变形技术. 以方形弹超声速绕流为例,验证了所提出的定常和非定常计算方法. 对方形弹舵面操纵的3种基本过程(脉冲、阶跃和谐波) 进行了数值模拟,获得了舵面操纵下导弹的俯仰运动对操纵的响应过程. 研究结果表明,快速的舵面操纵过程,甚至会导致导弹的俯仰运动失稳.     

动压型分段式圆周密封变形特性及其调控策略研究

在流固耦合作用下,分段式圆周密封的变形特性和密封间隙形状是影响密封运行稳定性和可靠性的关键.通过建立动压型分段式圆周密封的流固耦合模型,研究了密封间隙的流场特性和结构变形规律,采用正交试验设计分析了影响密封变形的主要力学参数,包括密封压差、周向弹簧初始载荷和刚度、轴向弹簧初始载荷和刚度,并探讨了接头形状、接头间隙及辅助密封面槽型对密封环的变形调控效果.结果表明：在流体压力和弹簧力的共同作用下,变形后单段密封环的主密封面径向间隙沿周向呈现中间大两端小、沿轴向泄漏方向呈单调递减的变化趋势;力学参数中密封压差对密封环的变形影响最为显著,其次为周向弹簧初始载荷,最小为周向弹簧刚度;通过合理的接头形状和辅助密封面槽型的设计有望显著改善密封环的变形特性,获得分布更为均匀的主密封面径向间隙.     

有间隙折叠舵面的振动实验与非线性建模研究

针对折叠舵面内、外舵铰接处存在的间隙对地面振动响应的影响及间隙处的非线性建模方法展开研究.消除间隙,利用锤击法对线性折叠舵面进行模态实验,得到了前五阶模态参数;打开间隙,进行振动台扫频基础激励,实验结果表明间隙的存在会使结构的动力学响应产生非线性现象,如正反向扫描差异、跳跃、多谐波及频率漂移.非线性的影响主要体现在一阶弯曲模态上,激励量级的增大和间隙的减小均会使基频增大,且逐渐趋向于无间隙的结果,但对第二阶扭转模态的影响与第一阶相比较小.建立了折叠舵面的有限元模型. 提出了一种适用于具有集中非线性的折叠机构的模型缩减方法,并对舵面进行了模态缩减.根据Hertz接触理论,用具有线性和3/2次刚度组合形式的非线性扭转弹簧来模拟铰接处的间隙和接触.通过比较锤击实验与数值计算得到的前四阶频率和振型对模型的线性部分进行验证.通过Bathe两子步隐式复合算法计算基础激励下非线性结构的动力学响应,得到的传递函数可以模拟实验中出现的频率变化特征,验证了连接处非线性建模方法的合理性.      

线性随机结构在随机激励下动力响应分析

利用虚拟激励法对随机结构正交展开理论进行扩展,并在Ritz向量子空间中对扩阶系统方程进行动力聚缩,提出了一类可以快速高效地进行线性随机结构复合随机振动分析的计算方法．算例分析表明,该法可以方便地分析随机结构在平稳或非平稳随机激励下的复合随机振动问题,且分析结果与 Monte Carlo模拟分析结果符合良好;与均值参数确定性结构传统随机振动分析计算结果相比,随机结构在相同随机激励下响应自谱密度曲线具有峰值降低、谱宽增大的特点．     

有间隙折叠舵面的振动实验与非线性建模研究

针对折叠舵面内、外舵铰接处存在的间隙对地面振动响应的影响及间隙处的非线性建模方法展开研究.消除间隙,利用锤击法对线性折叠舵面进行模态实验,得到了前五阶模态参数;打开间隙,进行振动台扫频基础激励,实验结果表明间隙的存在会使结构的动力学响应产生非线性现象,如正反向扫描差异、跳跃、多谐波及频率漂移.非线性的影响主要体现在一阶弯曲模态上,激励量级的增大和间隙的减小均会使基频增大,且逐渐趋向于无间隙的结果,但对第二阶扭转模态的影响与第一阶相比较小.建立了折叠舵面的有限元模型.提出了一种适用于具有集中非线性的折叠机构的模型缩减方法,并对舵面进行了模态缩减.根据Hertz接触理论,用具有线性和3/2次刚度组合形式的非线性扭转弹簧来模拟铰接处的间隙和接触.通过比较锤击实验与数值计算得到的前四阶频率和振型对模型的线性部分进行验证.通过Bathe两子步隐式复合算法计算基础激励下非线性结构的动力学响应,得到的传递函数可以模拟实验中出现的频率变化特征,验证了连接处非线性建模方法的合理性.     

Neumann随机有限元的一种推广形式

针对Monte—Carlo随机有限元,研究在多样本环境下如何提高单样本计算效率的问题。证明了关于线性问题Neumann随机有限元法的算法与线性系统的等刚度迭代法是一致的;在此基础上,将迭代效率更高的算法一预处理共轭梯度法引入线性Monte—Carlo随机有限元系统,建立了相应的有限元列式;最后,利用两个算例比较了本方法与Neumann随机有限元法,结果显示随着随机变量离散度的增大,Neumann法的计算效率急剧下降,而本方法的计算效率表现稳定;对于离散度不太大的随机变量,Neumann法已经不收敛,而本方法在随机变量离散度很大的情况下,仍然保持很好的收敛性。     

管线随机有限元的抗震可靠性研究

基于动力分析的摄动有限元法及管线可靠度分析模型 ,建立管线的动态随机有限元方程 ,分析了管线质量随机性和几何特征随机性 ,得出了在Elcentro地震波的激励下 ,管线结构的动力响应及具有非穿透性裂纹的抗震可靠度 ;并与Monte Carlo有限元法进行计算比较 ,表明了方法的正确性和可行性     

柔性机构动态可靠性分析的新方法

为了改善柔性机构动态可靠性分析的效率和精度,基于支持向量机SVM(Support Vector Machine)回归理论,提出了一种柔性机构动态可靠性分析高效率高精度的SVM回归极值法SREM(SVM Regression Extremum Method)。首先,介绍了柔性机构可靠性分析的基本理论;其次,融合蒙特卡洛法MC(Monte Carlo)和SVM回归理论,建立了柔性机构动态响应极值的代理模型,并利用代理模型进行柔性机构可靠性分析。最后,利用SREM法对柔性机构实例进行了可靠性分析,并与MC和人工神经网络ANN(Artificial Neural Networks)的分析结果进行比较。结果显示,在小样本情况下,进行柔性机构动态可靠性分析时,SREM的计算效率和计算精度都比ANN高;SREM的计算效率比MC大大提高,计算精度与MC相当。验证了在柔性机构可靠性分析中SREM的高效率和高精度,并证明了SREM在柔性机构可靠性分析中的可行性和有效行性。     

含随机参数的多体系统动力学分析

基于Lagrange方程建立了含随机参数的多体系统的动力学 模型,利用广义坐标分离法将随机微分代数方程转化为随机纯微分方程,利用Newmark法进行数值解算. 应用随机因子法求解系 统随机响应的数字特征,获得统计意义下的解. 以旋转杆滑块系统为例,考虑系统中载荷、物理和几何参数的随机性,通过与Monte Carlo法结果的对比验证了文中方法的正确性和有效性. 计算结果表明,部分随机参数的分散性对多体系统动力响应的影响不可忽略,利用随机参数的动力学模型将能客观地反映出系统的动力学行为.     

磨损与动力学耦合的行星传动齿轮动力学研究

行星齿轮磨损会导致齿轮齿侧间隙非线性增大、传动精度下降、齿面冲击力增大, 进而会导致齿轮传动系统振动加剧, 因此需要对行星齿轮的齿面磨损与动力学耦合特性进行研究. 本文构建了齿轮非线性磨损与考虑齿轮齿侧间隙的非线性动力学耦合计算模型, 对行星传动齿轮磨损动力学特性进行了研究. 首先建立齿轮啮合非线性动力学模型, 获得齿轮运行过程中的非线性啮合力; 进一步将非线性啮合力与齿轮齿面磨损模型相结合, 研究齿轮齿面磨损分布规律; 并根据齿轮磨损后的齿侧间隙对齿面重构, 同时对齿轮动力学模型进行更新; 进而得到行星齿轮传动中动态啮合力和磨损特性的变化趋势, 并获得齿轮传动系统齿轮齿向振动响应. 数值计算结果表明, 行星齿轮磨损导致齿轮在单?双齿交替啮合时产生的冲击增大, 同时太阳轮?行星轮啮合齿对对磨损较为敏感, 齿面啮合条件剧烈恶化, 是造成行星齿轮传动性能退化的主要原因, 本文研究结果为行星齿轮传动系统运行状态评估与可靠性预测提供了理论基础.