基于双边Lanczos算法的声子晶体复模态重分析

针对声子晶体拓扑结构修改时模态计算效率低的问题,提出基于双边Lanczos算法的复模态重分析。与全分析不同,本方法利用声子晶体原始结构的模态分析结果,通过双边Lanczos算法构建投影向量矩阵,将广义特征值方程映射进子空间来压缩矩阵规模,求解方程后再利用近似模态关系得到最终解。通过对尺寸和形状发生修改的声子晶体进行分析,验证了方法所求结果具有高精度,与全分析相比缩减了约35%的计算时间,在处理拓扑修改变化量大和计算规模大的声子晶体模态分析问题上有很大潜力。     

一种新型并行化有限元结构模态分析集成系统

以成熟有限元软件的模态分析流程和大型稀疏矩阵特征值的并行求解为基础,开发出一种基于大规模并行机的新型有限元结构模态分析系统。通过对串行CAE软件的二次开发,将模态分析过程中计算量最大的特征值求解部分代之以并行计算。针对并行机特性以隐式重启动Lanczos算法为基础,编写了基于MPI的特征值并行求解程序,并通过实际算例验证了并行程序的加速比和扩展性;同时实现并行程序与其它串行分析步骤的无缝集成,使集成系统的界面友好,操作方便。本系统使结构模态分析的规模和速度大幅度提高,以大型CAE软件MSC／NASTRAN为并行化求解器开发平台,在“神威Ⅰ”超级计算机上验证了其可行性和高效性。     

结构边界约束修改后的重分析方法

在结构设计优化中经常将结构边界约束作为设计优化对象,结构边界约束的修改通常导致系统的求解规模发生改变,使得快速准确分析修改后结构的响应成为一个挑战。本文发展了逐次矩阵逆(SMI)方法,提出了一种适合各种结构边界约束(包括初始结构中的约束)修改的快速重分析算法。该方法利用边界约束修改后对应刚度矩阵的对称性,有效缩减了计算量。数值算例表明,本文方法能够快速给出精确的重分析结果。     

块Lanczos法在大跨屋盖风致响应中的应用

提出块Lanczos向量直接叠加法分析大跨屋盖结构的风致响应.将适用于单个初始荷载向量的Lanczos方法推广到由多个初始荷载向量线性组合的一般动力荷载情况.由于不仅Lanczos块内的向量之间相互正交,而且Lanczos块之间也相互正交,屋盖结构的运动方程变换为块三对角矩阵的带状形式.这个途径不仅便于有效地应用时间域逐步积分解法,而且便于应用频率域解法.对脉动风荷载作用下的屋盖结构,多个初始荷载向量可应用本征正交分解得到.它将风压场分解为主坐标与协方差模态的组合,主坐标仅依赖时间而协方差模态仅依赖空间位置.根据圆拱顶屋盖模型风洞试验得到的风荷载,采用块Lanczos法、一般的Lanczos法以及传统的模态叠加法计算了屋盖竖向位移响应.对块Lanczos法的精度及效率作了讨论.     

大型非比例阻尼线性系统的地震反应复振型分析方法

对于大型非比例阻尼线性系统,当采用基于复振型的振型叠加方法进行动力反应分析时,按照通用算法(例如雅克比法)求解结构全部振型向量的计算工作量很大,甚至是不现实的.本文将经典阻尼系统中行之有效的Lanczos法和子空同迭代法加以推广和改进,给出了一组可对原来的方程进行自由度缩减的实向量基,然后与Foss变换相结合,得到一组实用的复向量基,使之适用于求解复杂非比例阻尼线性系统的任意低阶复振型和相应的复特征值,适用于任意扰力作用下的动力反应分析.理论推导和实例计算表明,本文所给出的复向量基概念清晰,计算效率高,能够适应对具有非比例阻尼特性的大型复杂结构进行动力分析的实际需要,其中包括地震作用下的时程分析和反应谱振型叠加分析.     

大型结构特征值问题的Lanczos子结构并行算法

本文利用子结构和Lanczos方法,提出了大型结构固有频率与模态的并行解法。该方法在Lanczos方法的求解过程中,仅利用子结构刚度阵和质量阵并行进行凝聚,进而求得新的迭代矢量,最终求得三对角阵对应的特征值和特征向量。该算法在西安交通大学ELXSI-6400并行计算机上程序实现,计算结果表明能有效地节省计算时间和计算机的内存,为一种有效的大型工程结构动力问题的求解方法。     

大规模边界元模态分析的高效数值方法

随着大规模快速边界元计算技术的发展,在复杂结构的动态设计、振动与噪声分析中愈来愈多地采用边界元法,因此求解大规模边界元特征值问题、进行复杂结构和声场模态分析,成为工程应用中一个十分重要,但却极具挑战性的课题,目前国际上还没有十分有效的数值方法.本文针对边界元法中典型的非线性特征值问题,提出了一种通用、高效的数值解法,称为基于预解矩阵采样的Rayleigh-Ritz投影法,记为RSRR.首先,通过求解一系列频域边界元问题来构造特征向量搜索空间,进而可以采用Rayleigh-Ritz投影,将原问题转化为一个可以采用现有方法求解的小规模缩减特征值问题;其次,为了降低Rayleigh-Ritz投影过程的计算量,基于解析函数的Cauchy积分公式,构造了边界元系数矩阵的插值近似方法,以及缩减特征值问题系数矩阵的快速计算方法,给出了插值项数的估计策略;最后,将RSRR与声学快速边界元法结合,应用于大规模吸声结构的复模态分析.数值算例表明,RSRR方法能够可靠地求出给定频段内的全部特征值和特征向量,具有计算效率高、精度高、通用等优点.     

求解非比例阻尼体系复模态的实模态摄动法

根据工程结构的实际情况,建立了非比例阻尼结构体系复模态特性的近似求解方 法------实模态摄动法. 这一方法以复Ritz向量展开原理为基础, 把非比例阻尼结构体系复模态特性的分析过程分解为两个基本步骤,首先以结构体系的实模 态向量构建复Ritz向量的求解子空间,然后通过非线性复代数方程组的求解代替扩阶后的复 特征值方程的求解,从而简化了计算过程.通过两个算例表明: 这一方法不仅计算简便，而且具有较高的计算精度和执行效率, 对于复杂的非比例阻尼系统是很适用的，具有一定的工程应用价值.     

核反应堆主系统管道的动力特性研究

本文系统研究了核反应堆主系统管道在局部破裂工况下的动力特性及非线性动力响应。采用统一动力子结构方法建立复杂管系的动力计算模型,采用Lanczos法和Arnoldi法分别求解系统的实、复特征值问题,分析了流速大小对系统固有频率的影响,在给定破口处的流体排放力后,采用Lanczos基矢量与模态综合相结合的自由度减缩技术,兼用伪力法、摄动法等技巧,求解管道系统的非线性动力响应。计算表明,采用本文的理论方法所研制的软件对核安全设计审批具有实用价值。文中给出了主系统管道的若干算例。     

以Lanczos向量直接叠加法确定圆拱顶屋盖风致响应

提出以Lanczos向量直接叠加法确定大跨屋盖结构的风致响应。传统的模态叠加法中无法保证精确计算的特征向量一定能够参与动态响应。与传统模态叠加法不同,在生成正交的Lanczos向量算法中只产生在荷载展开式中有较大参与系数的向量,并用于后续的模态叠加法之中。产生第一个Lanczos向量的空间向量来自于屋盖风压场的本征正交分解(POD)。利用同步多点压力扫描技术对一个圆拱顶屋盖进行了风洞试验。利用所提出的方法分析了屋盖风致响应,并与传统方法以及采用平均风荷载作为空间向量的Lanczos向量直接叠加法进行了比较,说明了本文方法的有效性。     

火炮试验架动态特性试验模态及数值分析

火炮后坐力试验台架的动态特性,直接影响火炮发射试验时的测试准确度,并会对火炮性能的准确评价产生影响．通过结构有限元计算模型和试验模态分析的结合,在结构有限元计算模型的基础上,寻找最佳结构响应点和激励点,优化试验模态分析模型,得出了火炮后坐力试验台架的固有频率和振型．分析结果表明,有限元分析可以极大地提高试验模态分析的效率,从而快速准确地获得结构的动态特性．     

结构动力重分析的子结构有理逼近

在基于子结构灵敏度综合的结构动力重分析方法的基础上,应用向量值函数有理逼近,提出了一种新的结构动力重分析方法。子结构方法的应用,有效减少了结构自由度数目,达到了减少计算量的目的。将向量值函数有理逼近应用于截断的Taylor级数,提高了计算精度,扩大了收敛范围,适用于结构作大修改的情形。数值算例表明,所提出的方法对结构参数发生大修改能够有效降低Taylor级数截断的误差,给出高精度的逼近结果。     

Finite-Element Solution of Linear Nonstationary Dynamic Problems for Shell Structures

An analysis is made of the efficiency of applying a reduced basis of Lanczos vectors to the finite-element solution of nonstationary dynamic problems. The algorithm developed was implemented in a computer code, which is used here to perform the analysis. The numerical experiments demonstrate the rapid convergence and high efficiency of mixed reduced basis of vibration modes and Lanczos vectors in nonstationary dynamic problems for shell structures.     

环境温度影响下基于LSTM神经网络识别结构损伤

环境温度的改变会引起模态参数的变化,其变化程度会掩盖或部分掩盖损伤引起的变化量,导致结构健康监测系统发出假阳性或假阴性的误判,因此,消除温度效应是提高损伤识别精度的关键。本文基于LSTM神经网络提出了一种环境温度影响下识别结构损伤的方法。充分利用LSTM神经网络的非线性映射优势,建立多元温度-模态频率的相关模型,在此基础上采用数据标准化方法消除温度效应,并结合控制图判断模态频率异常变化以确定损伤状况。最后将所提方法在数值模型和实际桥梁中加以应用,结果表明,方法能够有效消除温度效应;结合控制图能识别损伤时刻,并具有一定的抗噪性;在实桥数据分析中仍能表现出较好的损伤敏感性。     

A new appraoch of the dynamic substructure method

Researches show that there exists a modal transformation matrix which is similar to that of the fixed interface method in form but slightly different from that in content. Using the constrained modes and normal modes or Lanczos vectors, a new modal transformation developed from hybrid method is given, in which the interface forces are replaced by interface displacements. The first synthesis equations are assembled easily as with the fixed interface method, yet the interface coordinates can be further eliminated as with the free-interface method. The new method unifies the fixed- and free-interface methods as well as hybrid method,permitting easy implementation of the Lanczos vectors to replace normal modes so that only static modes are calculated. The dynamic substructure method thus becomes more flexible and efficient. This reveals the interrelations of various dynamic substructure methods. New formula for modal analysis and modal synthesis are developed and three examples are given for illustration.Supported by Doctoral Training Foundation of State Education Commission and NNSF of China.     

惯性平台台体结构实验模态参数识别及灵敏度分析

惯性平台台体的动态特性直接决定着惯性仪表的工作精度和可靠性，模态分析是研究机械系统动态特性的主要方法之一。在概述了实验模态分析理论的基础上，建立了某型号平台台体结构的实验模型，对其进行了实验模态分析。通过对实验结果与有限元计算结果比较，验证了有限元结果较为准确；同时针对结构存在的问题，通过灵敏度分析对结构的动力修改提出了改进意见。     

结构健康监测系统中传感器优化布置组合算法

在对结构健康监测中的传感器优化布置方法进行调研和总结的基础上,针对薄板、壳结构开展传感器优化布置的研究.提出了一种有效的传感器优化布置组合算法,由模态动能法、模态保证准则、遗传算法组合而成.该方法所得的传感器位置主要位于动态响应比较大区域,有利于提高信噪比;同时能够有效地保证模态振型的独立性,可以较完整地获得结构模态信息.针对这种组合算法的有效性采用简易机翼模型从数值计算和实验两方面进行了验证.     

Sensitivity analysis based on Lanczos algorithm in structural dynamics

IntroductionTheproblemforcomputingeigenpairderivativeshasoccupiedmanyresearchersinthepastseveraldecades.SurveypaperbyAdelmanandHaftka[1]isanexcellentintroductiontothetopicandalsoindicatevariousdisciplinesofapplications.Thereasonwhysomanypeopleareinterestedinthisproblemisthatsensitivitiesplayaveryimportantroleinstructuraldynamics,optimalanalysisandcontrolsystemdesign ,andmayalsobeanexpensiveandtime_consumingtask.Researchonsensitivityofmultipleeigenvalueshasbeenanareaofsignificantinterestinrece…     

特征向量导数计算的Lanczos方法

本文对特征向量导数计算的Ｌａｎｃｚｏｓ法进行了改进，指出Ｌａｎｃｚｏｓ法对方程的缩阶效率取决于初始向量的选择，介绍了Ｌａｎｃｚｏｓ方法的发展，提出采用频率移位法选择初始Ｌａｎｃｚｏｓ向量。通过理论分析及计算机仿真说明移位Ｌａｎｃｚｏｓ方法可以将较大的方程组缩为一阶方程，在计算精度与效率上大大优于任选向量Ｌａｎｃｚｏｓ法和迭代Ｌａｎｃ－ｚｏｓ法