基于局部模态的约束子结构模型修正法

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对应子结构部分的模态即可以修正子结构模型.由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态;结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型.通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果.     

基于静力柔度灵敏度的网架结构损伤识别

采用模态参数来组集网架结构的柔度矩阵面临较多困难,如所需模态数量较多、测点数量有限和密集模态识别精度较低等．相比之下,基于静力测试的柔度矩阵具有测试精度较高、无截断误差的优点．文中提出一种基于静力柔度灵敏度、先定位后定量的网架结构损伤识别方法．首先,针对柔度灵敏度方程容易产生病态解的问题,构造一种奇异值贡献指标以合理截断柔度灵敏度矩阵的奇异值,从而提高解的精度．其次,结合前述奇异值截断策略,在不更新刚度矩阵的前提下,通过多次计算来逐步缩减疑似损伤杆件,从而降低未损杆件的干扰和实现损伤杆件的定位．最后,仅保留灵敏度矩阵中已定位损伤杆件对应的列,在迭代计算中不断更新刚度矩阵来进行损伤杆件的定量识别．以某网架结构为例进行数值分析．结果表明：提出的奇异值贡献指标具有明显的突变位置,可方便地指出灵敏度方程奇异值截断位置;提出的两步识别法在仅利用竖向自由度的情况下具有较好的抗噪能力,可有效定位和定量识别损伤杆件．     

高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型

本文将超级元和子结构的思想相结合，根据框架结构的变形特点，建立了高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型。模型中将楼面划分为子结构，在总结构层次将各子结构假想为二维连续体后用超级元来描述，而在子结构内部仍用经典有限元三维梁单元模拟。据此，框架梁位于同一超级元内，而框架柱连接不同的超级元。通过假设子结构内部结点自由度与总结构结点自由度的位移关系，得到超级元的质量矩阵以及框架梁和框架柱的单元刚度方程。该模型中空间框架结构的动力和非动力自由度均有大幅度的缩减，而刚性楼面假定可以进一步减少计算量。最后通过一幢30层钢筋混凝土空间框架结构的动力特性分析验证本文理论的正确性和适用性。     

界面连接刚度参数辨识的子结构分析法

以试验模态参数为基础,提出一种通过特征方程反问题辨识子结构界面连接刚度参数的子结构分析法。新方法以子结构动柔度矩阵特征方程为基础,建立求解界面结点内力和位移的方程,从而由子结构内部结点可测自由度上的位移用广义逆理论估计界面结点内力和位移。并通过迭代修正内部结点可测自由度上的试验值,以提高界面内力和位移的估计精度。最后通过连接子结构刚度矩阵建立的平衡方程求解相应的刚度参数。文中以太阳电池阵板间铰链副刚度参数辨识为例,将铰链副简化为两端结点各有6个自由度的弹簧连接元,考虑到自由度之间的耦合,推导了连接元的刚度矩阵。用上述方法辨识了铰链副6个自由度的刚度参数,得到满意的辨识结果。     

基于Kriging模型和改进MCMC算法的随机有限元模型修正

针对待修正参数维数较高时,标准马尔可夫链蒙特卡罗MCMC (Markov Chain Monte Carlo)算法不易收敛、拒绝率高的问题,提出了基于Kriging模型和在MCMC中融合花朵授粉算法的修正方法.首先,以待修正参数作为输入,以应变模态作为输出,建立Kriging模型,通过蝙蝠算法确定Kriging模型的相关系数;然后,采用最大熵的贝叶斯方法估计参数的后验概率密度函数,将花朵授粉算法融入MH (M etropolis-Hasting)抽样算法,提高局部寻优和全局寻优能力;最后,通过三自由度弹簧-质量系统和三维桁架结构的数值算例验证所提模型修正方法,修正后参数相对误差均低于0.86％.结果 表明,所提方法修正后较高维参数的马尔可夫链能够快速收敛且样本接受率也有所提高,该方法也对随机噪声具有一定的鲁棒性.     

Order reduction of forced nonlinear systems using updated LELSM modes with new Ritz vectors

Enhanced modal-based order reduction of forced structural dynamic systems with isolated nonlinearities has been performed using the updated LELSM (local equivalent linear stiffness method) modes and new Ritz vectors. The updated LELSM modes have been found via iteration of the modes of the mass normalized local equivalent linear stiffness matrix of the nonlinear systems. The optimal basis vector of principal orthogonal modes (POMs) is found via simulation and used for POD-based order reduction for comparison. Two new Ritz vectors are defined as static load vectors. One of them gives a static displacement to the mass connected to the periodic forcing load and the other gives a static displacement to the mass connected to the nonlinear element. It is found that the use of these vectors, which are augmented to the updated LELSM modes in the order reduction modal matrix, reduces the number of modes used in order reduction and considerably enhances the accuracy of the order reduction. The combination of the new Ritz vectors with the updated LELSM modes in the order reduction matrix yields more accurate reduced models than POD-based order reduction of the forced nonlinear systems. Hence, the LELSM modal-based order reduction is enhanced via new Ritz vectors when compared with POD-based and linear-based order reductions. In addition, the main advantage of using the updated LELSM modes for order reduction is that, unlike POMs, they do not require a priori simulation and thus they can be combined with new Ritz vectors and applied directly to the system.     

基于高次广义柔度灵敏度的结构损伤识别

柔度矩阵可以由结构的低价模态近似计算获得，因此被广泛用于结构的模型修正和损伤识别中。由普通柔度派生而来的广义柔度，可以由低价模态数据更加精确的获得，且随着广义柔度次数的增高其精度越高，往往只需要第一或二阶模态数据即可获得很准确的高次广义柔度。因此，广义柔度灵敏度方法自提出以来受到广泛关注。本文详细研究了基于高次广义柔度灵敏度的损伤识别计算方法，研究中发现，利用广义柔度灵敏度进行损伤识别计算时，并非越高次的广义柔度其识别结果越准确，随着广义柔度次数的增加，损伤识别结果精度呈现出先提高但随后显著降低的趋势。究其原因在于，虽然随着广义柔度次数的增加，广义柔度本身的精度更高，但与之相应的灵敏度方程组系数矩阵的条件数却也显著增大了，即方程组的病态性反而更加严重了，这导致了基于高次广义柔度计算所得的损伤参数的精度反而不如低次广义柔度的情况。因此，本文的研究表明，工程中利用广义柔度进行模型修正或损伤识别时，一般采用一次广义柔度或二次广义柔度即可，且计算中为了克服方程组的病态性和数据噪声的不利影响，本文提出了一种反馈奇异值截断法，能够明显提高计算精度，获得较准确的识别结果。     

基于改进灰狼优化算法的结构损伤识别

结合模态柔度矩阵、广义模态柔度矩阵和振型三个识别精度较好的指标,构造新的目标函数求解损伤识别问题。通过Nelson方法求解得到的频率与振型的导数,得到对结构刚度发生变化时更具敏感性的位置,然后在这些位置布置传感器以提取结构信息。针对原有的灰狼算法虽然全局搜索能力强,但是存在局部搜索精度差的问题,本文从初始种群和收敛因子等方面着手,改善灰狼算法的局部搜索能力及收敛速度。最后利用提出的方法,通过识别梁模型及桁架模型中的损伤单元说明本文方法的有效性。     

基于Kriging模型的频响函数有限元模型修正方法

针对使用频响函数进行有限元模型修正的问题,提出了一种基于Kriging模型的修正方法,用于检测结构由损伤引起的在单元刚度特性上的衰减。本文方法可以在不需要推导修正参数与频响函数残差代数关系的前提下,通过少量测点提供的有效数据快速求解;还可以通过控制算法的终止准则来提高对未知区域的探索程度,降低结果收敛到局部解上的可能。使用Kriging模型可以有效地减少原有限元模型的计算次数,保证计算效率的同时,为对结构进行更准确精密的有限元建模提供了便利。     

结构的多机并行分析I——结构的并行有限元方法

本文详细分析和讨论了结构分析的并行有限元方法—并行预处理共轭梯度法(以下简称PPCG法)。着重讨论了基于自带存储器的多处理机系统的并行预处理算法问题,并由此提出了两种PPCG法:PPCG1和PPCG2法。这两种方法适用于以单道剖分(one-way dissection)的子结构法为基础的并行分析。由于这种剖分法产生的结构刚度矩阵具有箭头形状,可独立地消除各子结构的内部自由度,并且不会在刚度矩阵中产生新的非零元素,因此很适合具有较多处理机的并行机系统对复杂结构进行的并行分析。     

Detection of crack location using cracked beam element method for structural analysis

The local flexibility introduced by cracks changes the dynamic behavior of the structure and, by examining this change, crack position and magnitude can be identified. In order to model the structure for FEM analysis, a special finite element for a cracked Timoshenko beam is developed. Shape functions for rotational and translational displacements are used to obtain the consistent mass matrix for the cracked beam element. Effect of the crack on the stiffness matrix and consistent mass matrix is investigated. Proposed is a procedure for identifying cracks in structures using modal test data.     

A COMPLEX PARAMETER MODEL UPDATING METHOD FOR DAMPING CHARACTERISTICS OF FINITE ELEMENT MODELS

阻尼对于结构动力学响应具有重要的影响,但有限元模型一般很难对阻尼特性进行精确建模.基于实测频响函数,研究了一种有限元模型阻尼特性的复参数修正方法.以待修正区域各单元质量、刚度矩阵的比例修正系数为复修正参数,建立了单元矩阵比例修正的灵敏度方程直接算法,并对比分析了复修正参数与不同阻尼特性之间的数学关系.以六自由度集中参数模型和25杆平面桁架模型为例,验证了复参数修正方法在阻尼特性修正中的有效性.     

构造杂交应力单元的柔度矩阵H对角化方法

证明了杂交元柔度矩阵 H非奇异的充分必要条件是假设应力模式线性无关 ;以及等价应力模式形成相同的杂交元。在此基础上建立了假设应力模式的 Hilbert子空间 ,从而可以利用 Schmidt方法简单地得到等价的正交应力模式 ,实现了柔度矩阵 H对角化 ,使得杂交元形成过程中完全避免了繁杂的矩阵求逆运算 ,提高了杂交元分析的计算效率 ,特别在柔度矩阵不容易显式求逆的材料非线性分析中更具有实际意义     

基于摄动法的不确定性有限元模型修正方法研究

开展了考虑不确定性的有限元模型修正方法的研究。基于摄动法推导了待修正参数均值和协方差矩阵的迭代格式,其中协方差的迭代格式包括是否考虑试验数据与修正参数之间相关性的两种形式。在理论研究基础上开展数值仿真研究,实现了不确定性有限元模型修正的摄动法,并研究了试验数据样本数量对修正误差的影响。仿真结果表明,该方法适用于解决系统参数与试验数据存在不确定性的模型修正问题,试验样本数量对待修正参数标准差的修正精度影响较大;忽略试验模态参数与待修正参数不确定性之间的相关性,能够避免计算二阶灵敏度矩阵,在保证修正结果准确性的前提下减少计算量。     

基于构件层次的铰接杆系结构几何稳定性讨论

考察构件刚度和构件撤除对杆件系统几何稳定性的影响.从常规结构稳定理论的角度审视铰接杆件系统几何稳定性问题.基于结构稳定的能量准则和刚度矩阵的构成分析,重新考察了Maxwell准则和平衡矩阵准则的充分必要性.解释了构件零刚度和构件撤除对体系几何稳定性影响的一致性.利用自应力矩阵的特性,提出并证明了一种快速识别杆系结构中“必需杆”的方法.一种多根构件撤除后体系几何稳定性的判别准则进而被发展.该判别准则的数值效率体现在仅利用原结构平衡矩阵一次分解后的信息,杆件撤除后体系平衡矩阵的秩可通过两小规模矩阵秩之间的关系来表示.     

基于PVM的网络并行有限元面向对象的设计

子结构是有限元并行计算常用的一种方法,本文采用面向对象的方法,首先对子结构进行了面向对象的设计,得到了其类层次结构图;然后针对工作站网络有限元并行计算环境。提出了基于PVM消息传递平台上的Shadow—Mirror数据传输模型,该模型在有限元并行计算数据传输时,充分发挥数据面向对象的特性,采用设置数据缓冲区、短消息合并等方法以缩短数据通信时间,并据此编制了相应的程序。计算结果表明,使用文中提出的面向对象的Shadow—Mirror数据传输模型可以得到较为理想的并行加速比,而且随着问题规模增大,并行加速比增高。本文研究内容为进一步开展基于工作站网络的并行有限元研究提供了一个可参考的基础。     

一种结构振动系统移频方法

本文对修改结构局部刚度和质量参数，从而使其具有给在有频率的动力修改问题提出了一种求解方法。该方法将结构固有频率修改问题化为一个低阶实对称矩阵特征值问题求解。文中给出一个算例来说明方法的有效性。     

Finite element simulation of PSB macroband nucleation and propagation in single crystal nickel cycled at low plastic strain amplitudes

Substructure models for vein matrix and persistent slip band (PSB) structures are extracted from a uniaxial mixtures model that was developed to simulate cyclic loading experiments on nickel single crystals oriented for single slip. Reverse magnetostriction is included as well. These substructure models are implanted in a single crystal plasticity framework with fully anisotropic elasticity. The resulting constitutive models are incorporated in finite element models to simulate the process of PSB macroband formation and propagation. Perturbation elements (PEs), elements assigned with PSB properties, are used as the loci for PSB macroband nucleation. Transition of elements with vein matrix properties to elements with PSB properties is triggered at integration points by a shear stress criterion applied on slip systems. The resulting finite element models successfully demonstrate the process of PSB formation and propagation, and plastic strain amplitude partitioning between vein matrix and PSB macrobands. The effect of model boundary constraints, strain increment dependence, mesh sensitivity, PE distribution, specimen axis misorientation, and PSB volume fraction generated is examined.     

Recent progress on finite element model updating: From linearity to nonlinearity

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.     

遗传-粒子群算法模型修正

用部分测量模态数据对5层钢架结构进行模型修正,将遗传算法、粒子群优化算法、 遗传-粒子群组合算法3种算法在该模型修正过程中的效率和精度进行比较,结果表明修正后 模型的全部四阶频率和振型都能在不同程度上向目标值靠近,证明3种算法都能够有效修正 模型,而且遗传-粒子群算法能在前期利用遗传算法进行高效全局搜索,后期利用粒子群算法 进行细致局部搜索,与单独使用遗传算法或粒子群算法相比,组合算法效率和精度更高.