带位移偶次方项非线性随机振子在位移参数激励下的概率解

论文用指数多项式闭合或EPC(Exponential Polynomial Closure)法分析了具非零均值响应的带位移偶次方项非线性随机振子在参数激励下响应的概率密度函数解.给出了求解过程并通过算例分析验证了指数多项式闭合法在此情况下的有效性.数值结果显示,指数多项式闭合法得到的响应概率密度结果与蒙特卡洛模拟的结果符合较好,尤其是在对系统可靠性分析起主要作用的概率密度函数尾部区域符合很好.     

简支梁非线性响应的三维路径积分法分析

采用基于Gauss-Legendre积分公式的三维路径积分法，分析了在过滤高斯白噪声激励下的简支梁非线性随机振动响应的概率密度函数；联立一阶滤波方程与简支梁一阶模态的振动模型，得到在过滤高斯白噪声激励下的简支梁随机振动模型，基于Gauss-Legendre积分公式的积分法和短时高斯近似法求解响应的概率密度函数值。结果表明，三维路径积分法计算值与蒙特卡洛模拟值符合良好，即使在尾部区域也符合良好。三维路径积分法比等效线性化法的计算精度更高。     

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.     

简支梁非线性响应的三维路径积分法分析

采用基于Gauss-Legendre积分公式的三维路径积分法,分析了在过滤高斯白噪声激励下的简支梁非线性随机振动响应的概率密度函数;联立一阶滤波方程与简支梁一阶模态的振动模型,得到在过滤高斯白噪声激励下的简支梁随机振动模型,基于Gauss-Legendre积分公式的积分法和短时高斯近似法求解响应的概率密度函数值。结果表明,三维路径积分法计算值与蒙特卡洛模拟值符合良好,即使在尾部区域也符合良好。三维路径积分法比等效线性化法的计算精度更高。     

基于路径积分法的悬索非线性随机振动响应分析

随机荷载激励下悬索过大的动力响应将影响其正常使用与安全,对其响应概率密度函数的求解与分析是评估悬索随机动力响应的重要途径之一。针对悬索在高斯白噪声激励下的随机振动模态响应,利用基于Gauss-Legendre积分和短时高斯转移概率密度假定的路径积分法,研究了模态振动响应的概率密度函数的平稳数值解与非平稳数值解,并进一步开展了参数研究,揭示了不同参数影响下概率密度函数的分布规律。将路径积分法所得的平稳解和非平稳解,分别与FPK方程的精确平稳解、等效线性化法所得平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解进行对比,结果表明,路径积分法所得的概率密度函数解分别与精确平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解符合良好。对于平稳响应,由于位移二次非线性项的存在,位移概率密度函数分布呈非对称分布形式,但速度概率密度函数并不受其影响,仍服从对称分布;非平稳响应概率密度函数初始时刻峰值较大,且在初始阶段峰值是随着时间不断变化的,波动较明显,随着时间推移逐渐平稳。研究结果对于悬索非平稳响应研究具有重要的工程意义。     

指数多项式闭合法求带位移偶次方项非线性随机振子响应的概率解

本文用指数多项式闭合(Exponential Polynomial Closure,EPC)法分析了具非零均值响应的带位移偶次方项非线性随机振子的响应概率密度函数解。给出了求解过程并通过算例分析验证了指数多项式闭合法在此情况下的有效性。数值结果显示,指数多项式闭合法得到的响应概率密度结果与蒙特卡洛模拟的结果符合较好,尤...     

随机外激励作用下非线性系统响应演变概率密度

对随机高斯外激励作用下强非线性振动系统响应演变概率密度函数求解问题进行探讨.应用随机函数空间的正交分解理论,将由熵方法定义的指数形式概率密度函数表达式在随机泛函空间中展开,推导了展开级数所满足的FPK方程.运用加特金方法,将概率密度与系统状态向量共同表征的偏微分方程求解问题转化为求解逼近系数的一阶常微分方程组形式,使得问题求解成为可能.数值算例中研究了随机外激励作用下下一阶与二阶随机非线性系统响应概率密度函数求解问题,初步讨论了随机非线性系统响应概率密度函数的瞬态演化过程.     

求大规模非线性随机动力系统概率密度函数解的子空间法

论文给出了一个求大规模非线性随机动力系统响应概率密度函数解的新方法,称之为子空间法.考察了此方法在求解大规模带位移项参数激励非线性随机动力系统响应概率密度函数的有效性.这里的概率密度函数解由Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程控制.该方法是基于将非线性随机动力系统状态变量空间分成两个子空间,然后在其中一个子空间上对FPK方程进行积分,采取一定措施后得到低维的FPK方程.该低维的FPK方程的维数可以人为确定,也可以取为二维,从而可以用现有的求解低维FPK方程的方法求得所需的概率密度函数解.文中给出了算例,用数值结果验证了子空间法的有效性.论文是采用作者曾提出的指数多项式闭合(EPC)法求解由子空间法降维的FPK方程.     

斜拉桥拉索在轴向窄带随机激励下的振动响应

导出了拉索在考虑垂度以及索张力沿索长变化时的参激随机微分方程,进一步给出了预测拉索在窄带随机激励下响应的近似理论解------用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解. 以南京长江二桥约330米长的A20拉索为研究对象,对以上高斯闭合解和一阶非高斯闭合解进一步进行数值求解以获得拉索的响应,并采用Monte-Carlo数值方法对求解进行验证. 分析了拉索振动的一般特征,特别分析了激励中心频率和拉索频率比为1和2时的响应随激励带宽的变化特征,得到了一些新的结论.      

考虑轨道非高斯不平顺的车-轨-桥耦合振动分析

通过无记忆非线性平移得到非高斯轨道高低不平顺,并以此为激励作用于列车-轨道-桥梁耦合系统结构,对比分析了高斯和非高斯轨道不平顺对列车、轨道和桥梁动力学性能的影响。结果表明:模拟的非高斯轨道不平顺相关函数和目标相关函数相互吻合;考虑四种高斯轨道不平顺激励下,车体的垂向振动加速度响应出现了紊乱现象,中国干线轨道高斯不平顺对车体的垂向振动加速度响应影响较其他3种不平顺要小,但对钢轨的垂向振动加速度响应影响比其他3种不平顺要大;美国六级轨道、德国高低干扰轨道非高斯不平顺激励下的耦合结构振动加速度响应均在不同程度上要大于其高斯轨道不平顺,但中国干线轨道不平顺对钢轨和桥梁的振动加速度响应却出现相反的影响。     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能，利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程；利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响，此外还研究了系统单稳态和双稳态响应，探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明，磁间距是影响系统势能的主要因素，调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应，从而有效提高俘能器俘能特性；与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比，通过优化结构参数，附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象，实现宽频带振动能量采集。     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

POD降阶方法在含局部非线性悬臂梁中的适应性分析

在非线性结构的振动控制设计中结构模型的阶数不宜过高，为此，本研究以含局部非线性的悬臂梁为研究对象，开展影响POD降阶方法所得低阶模型精度的研究。着重分析了非线性强弱、降阶模型的阶数、POD模态获取源信号的激振类型、响应信号的采样频率和响应信号采样时长等因素对降阶模型响应预测精度的影响。结果表明：对于强非线性的局部非线性悬臂梁系统，POD方法同样适用；在选取源信号的激振类型时，应避免选取脉冲激励信号；响应的采样频率与时长不一定要选取过大。最后，提出了一种针对含有噪声信号应用POD方法的解决方案，可为工程应用提供有益的参考。     

多自由度强非线性耦合参激系统随机响应计算方法

本文采用非高斯矩闭合方法计算了一个含参数激振的二自由度强非线性耦合系统受随机激励的响应方差。用逐次消除法消除方程中的惯性耦合后推导出直到6阶的矩方程,采用中心累积量截断技术计算了白噪音激励下的响应方差,并与时域直接积分和数字模拟方法的结果进行比较,取得了一些有意义的结论。     

基于state-space-split法的滞回非线性系统随机动力响应分析

采用SSS(state-space-split)法,建立了引入Bouc-Wen滞回模型的杜芬非线性系统在高斯白噪声激励下的概率密度函数(PDF)的近似求解方法,分析了其随机动力响应变化规律.首先,将Bouc-Wen滞回模型引入杜芬非线性系统,分别考虑非线性系统中的几何非线性和材料非线性对动力响应的影响.随后,对该模型进行了等效线性化(EQL)处理,基于等效线性化法结果,介绍了SSS法的简化方法和计算原理,并通过该方法求解了三维FPK方程的近似联合概率密度函数.最后,将该方法应用于三个案例和一个工程实例,通过求解其概率密度函数分布及动力可靠度验证了提出方法的适用性、可行性和优越性.     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题. 对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应 的精确解. 遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解. 事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解 则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解. 因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径. 本文针 对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降 维. 针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程. 建议了构造等价漂移系数 的条件均值函数方法. 进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答. 结合单自由度Rayleigh 振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精 度和效率,验证了其有效性.      

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题.对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应的精确解.遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解.事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解.因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径.本文针对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降维.针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程.建议了构造等价漂移系数的条件均值函数方法.进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答.结合单自由度Rayleigh振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精度和效率,验证了其有效性.     

汽车迟滞非线性悬架系统阻尼参数优化设计

文章以随机激励的迟滞非线性系统为研究对象,研究阻尼参数对系统性能的影响.首先建立悬架迟滞非线性随机动力学模型;然后利用该模型计算系统的各阶矩,并利用Edgeworth展开式求解系统二维联合概率密度函数.由于迟滞非线性的存在使得矩方程不闭合,为此本文利用非高斯截断和累积量截断相结合的方法,将高阶矩写成低阶矩的函数,利用矩方程成功实现各阶矩的求解;最后以车身加速度和悬架动行程的线性加权作为目标函数,利用获得的概率密度函数求解目标函数,分析阻尼参数对目标函数的影响,并获得阻尼参数的最优值.     

一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

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.