随机桁架结构几何非线性问题的混合摄动-伽辽金法求解

提出应用混合摄动$\!$-$\!$-$\!$伽辽金法求解随机桁架结构的几何非线性问题.将含位移项的随机割线弹性模量以及随机响应表示为幂多项式展开,利用高阶摄动方法确定随机结构几何非线性响应的幂多项式展开的各项系数.将随机响应的各阶摄动项假定为伽辽金试函数,运用伽辽金投影对试函数系数进行求解,从而得到随机桁架结构几何非线性响应的显式表达式.同已有的随机伽辽金法相比,本文所给的试函数由摄动解的线性组合而成,在求解非线性问题时,试函数的获取具有自适应性.数值算例结果表明,对于具有不同概率分布的多随机变量问题,本文方法无需对随机变量的概率分布形式进行转换,避免了转换误差,因而比同阶的广义正交多项式方法(generalizedpolynomial chaos, GPC)计算精度高.同时,在结果精度相当时,和GPC方法相比,本文方法得到的试函数系数的非线性方程维度不大,方程的求解工作量小且更易求解.当随机量涨落较大时,混合摄动$\!$-$\!$-$\!$伽辽金法计算所得的结构响应的各阶统计矩比高阶摄动法所得结果更逼近于蒙特卡洛模拟结果,显示了该方法对几何非线性随机问题求解的有效性.      

随机结构有限元分析的递推求解方法的改进

将随机结构有限元分析的递推求解方法和伽辽金投影方法相结合,提出了求解随机静力响应的改进的递推求解方法。利用随机收敛的非正交多项式展开表示由于材料、外部荷载或构件几何尺寸的随机性导致的结构随机响应。采用递推求解方法得到响应多项式展开的初始系数,并运用定义的数学算子显式地表达出来。然后,通过定义修正系数,应用伽辽金方法对随机力平衡方程在非正交多项式基上进行投影,得到了和响应展开阶次个数相同的确定的有限元方程,并进行求解得到了修正系数。数值算例表明,通过对递推求解方法中响应表达式系数的修正,以很小的计算代价较大地提高了随机响应的计算精度;与基于正交多项式展开的随机有限元方法相比,在精度相当的前提下新方法耗费的计算时间大大降低。     

基于确定性计算响应面的复杂工程结构不确定性建模研究

由于复杂工程结构具有不确定性参数较多和非线性较强等特点,本文研究了如何用确定性计算响应面方法建立其响应特征和不同自变量之间的高精度模型,以两个典型非线性显示函数和一个含有多个不确定参数的螺栓结构为例,采用高阶幂多项式和最小二乘支持向量机两种方法建立了响应面模型,阐述了用支持向量机建立响应面模型的一般步骤。与高阶幂多项式...     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

随机桁架结构几何非线性问题的混合摄动-伽辽金法求解

提出应用混合摄动-伽辽金法求解随机桁架结构的几何非线性问题.将含位移项的随机割线弹性模量以及随机响应表示为幂多项式展开,利用高阶摄动方法确定随机结构几何非线性响应的幂多项式展开的各项系数.将随机响应的各阶摄动项假定为伽辽金试函数,运用伽辽金投影对试函数系数进行求解,从而得到随机桁架结构几何非线性响应的显式表达式.同已有的随机伽辽金法相比,本文所给的试函数由摄动解的线性组合而成,在求解非线性问题时,试函数的获取具有自适应性.数值算例结果表明,对于具有不同概率分布的多随机变量问题,本文方法无需对随机变量的概率分布形式进行转换,避免了转换误差,因而比同阶的广义正交多项式方法 (generalized polynomial chaos, GPC)计算精度高.同时,在结果精度相当时,和GPC方法相比,本文方法得到的试函数系数的非线性方程维度不大,方程的求解工作量小且更易求解.当随机量涨落较大时,混合摄动-伽辽金法计算所得的结构响应的各阶统计矩比高阶摄动法所得结果更逼近于蒙特卡洛模拟结果,显示了该方法对几何非线性随机问题求解的有效性.     

计算不确定结构系统静态响应的一种可靠方法

不确定性广泛存在于工程结构分析和设计过程之中，不能简单地予以忽略。目前，概率方法、模糊方法和区间方法是不确定性建模的三种主要方法。本文把具有不确定性的结构材料参数、几何参数和所受外力用区间数描述，通过求解线性区间方程组准确地计算了结构静态响应。计算结果易于扩张是区间计算的一个主要缺陷，本文提出了一种有效避免这一问题的方法。该方法把区间函数的计算和区间线性方程组的求解转化为相应的全局优化问题，来确定解中的每个区间元素的边界值，并采用一种智能性算法(实数编码遗传算法)来求解这些全局优化问题。本文首先采用数学和结构分析算例对该方法的正确性和有效性进行了验证，然后把该方法与有限元方法相结合计算不确定结构系统的响应范围，并和求解同类问题的方法进行了比较。     

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.      

配点型区间有限元法

在分析Taylor展开``点逼近'区间有限元法不足的基础上, 提出了基于Chebyshev第一类正交多项式全局逼近目标函数的配点型区间有限元法. 该方法不需要计算目标函数对不确定性变量的灵敏度, 不要求不确定性变量的变化范围为小区间, 并适合求解目标函数为不确定变量非线性函数的情形. 目标函数正交展开式的系数采用Gauss-Chebyshev求积公式得到,故需要在不确定性变量所在区间内配置高斯积分点. 计算目标函数在高斯点的取值是该方法的主要工作量, 当不确定性变量数为m, 并选用高斯十点法进行积分时, 需要对系统进行12$m$次分析. 算例表明, 在其他区间有限元法失效的情况下, 配点型区间有限元法依然能够得到几乎精确的区间界限.      

基于分裂法及Hermite多项式逼近的随机有限元

针对随机结构响应的统计矩、可靠性、灵敏度分析问题,提出了一种新的基于Hermite多项式逼近的随机有限元方法.所提方法利用分裂法将多维响应函数问题转换成单维问题,并采用Hermite多项式逼近单随机变量的响应函数,Hermite多项式系数由Gauss-Hermite积分法求解,最后利用Monte-Carlo法求解显式化后的响应函数的统计矩、失效概率、灵敏度.本文方法简单实用,不用考虑计算导数和设计点问题,因此可十分方便的用于结构的概率分析.文中算例充分说明了所提方法的合理性与可行性.     

模糊分布参数条件下结构系统的近似效应分析

针对结构系统中随机变量的分布参数具有不确定性的问题, 采用模糊数来描述分布参数的主观不确定性, 并且利用隶属度来衡量主观不确定性的大小. 在不同隶属度水平下, 分别建立了输出响应和失效概率的主效应和总效应模型, 研究了两种模型和隶属度水平之间的关系, 并且给出分布参数不确定性的平均效应指标. 针对所提指标计算量大的问题, 通过对输出响应的各阶矩进行一阶泰勒展开, 建立了两种指标的计算方法. 算例结果验证了所提指标的合理性和所提方法的高效性.     

基于二阶摄动法求解区间参数结构动力响应

在处理区间参数结构动力响应问题时,现有的分析方法大多局限于一阶区间分析方法. 如果参数的不确定量稍大,采用一阶区间分析方法对结构动力响应范围进行估计可能会失效,所以需要考虑二阶区间分析方法.但是采用基于区间运算的二阶区间分析方法得到的结果将会对动力响应范围过分高估. 为了克服以上缺点,首先基于二阶摄动法得到结构动力响应广义函数. 然后通过求解此动力响应函数的最大和最小值,将结构动力响应区间的问题转化为序列低维箱型约束下的二次规划问题. 最后采用DC 算法(di erence of convex functionsalgorithm) 对这些箱型约束下的二次规划问题进行求解. 这样可以在不引入过多计算量的情况下,避免了对动力响应范围的过分估计. 通过数值算例,将该方法和其他区间分析方法进行比较,验证了该方法的有效性与精确性.      

Static response analysis of structures with interval parameters using the second-order Taylor series expansion and the DCA for QB

In this paper, based on the second-order Taylor series expansion and the difference of convex functions algorithm for quadratic problems with box constraints(the DCA for QB), a new method is proposed to solve the static response problem of structures with fairly large uncertainties in interval parameters. Although current methods are effective for solving the static response problem of structures with interval parameters with small uncertainties, these methods may fail to estimate the region of the static response of uncertain structures if the uncertainties in the parameters are fairly large. To resolve this problem, first, the general expression of the static response of structures in terms of structural parameters is derived based on the second-order Taylor series expansion. Then the problem of determining the bounds of the static response of uncertain structures is transformed into a series of quadratic problems with box constraints. These quadratic problems with box constraints can be solved using the DCA approach effectively. The numerical examples are given to illustrate the accuracy and the efficiency of the proposed method when comparing with other existing methods.     

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.     

区间参数结构平稳随机载荷识别方法

针对贫信息下不确定性结构的随机载荷识别问题,使用基于Taylor展开的区间分析方法,提出了一种不确定性结构随机载荷识别的非概率区间方法。该识别方法在频域中进行,识别时使用区间变量描述工程结构中的不确定性参数。基于测点的响应谱密度函数,首先对不确定性参数的名义值点进行随机载荷识别,其次计算载荷关于不确定性参数的灵敏度,最后基于区间扩张理论获得识别载荷谱的上下界值。算例结果表明,使用区间方法得到的不确定性结构的载荷谱识别区间界值都能完全包含载荷真值,此方法能够在结构设计时给出更为可靠的载荷工况。     

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.     

随机杆系结构几何非线性分析的递推求解方法

建立了随机静力作用下考虑几何非线性的随机杆系结构的随机非线性平衡方程. 将和 位移耦合的随机割线弹性模量以及随机响应量表示为非正交多项式展开式，运用传统的摄动方法获 得了关于非正交多项式展式的待定系数的确定性的递推方程. 在求解了待定系数后，利用非 正交多项式展开式和正交多项式展开式的关系矩阵，可以很方便地得到未知响应量的二阶统计矩. 两杆结构和平面桁架拱的算例结果表明，当随机量涨落较大时，递推随机有限元方法比基于 二阶泰勒展开的摄动随机有限元方法更逼近蒙特卡洛模拟结果，显示了该方法对几何非线性 随机问题求解的有效性.     

A computational strategy for the random response of assemblies of structures

This paper presents a dedicated approach to the calculation of the random response of assemblies with uncertain interface characteristics. The random response is constructed using a polynomial chaos expansion (PCE). A decomposition of the assemblies into substructures and interfaces is defined and associated with a dedicated computational strategy which leads to a local/global algorithm enabling the treatments of the substructure and of the interface problems to be uncoupled. Since the only uncertain parameters are those which appear in the interface equations, this approach results in a drastic reduction of the computational costs. This paper first presents the classical stochastic finite element strategy for this kind of problem, then details the proposed dedicated approach. The applications concern structures assembled with uncertain elastic bonded joints. The proposed approach is compared to the Monte Carlo method and to the stochastic finite element method.     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件,而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素,计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力.为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征,本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确...     

Parameters identification of cable stayed footbridges using Bayesian inference

Numerical modeling of actual structural systems is a very complex task mainly due to the lack of complete knowledge on the involved parameters. Simplified assumptions on the uncertain geometry, material properties and boundary conditions make the numerical model response differ from the actual structural response. Improvements of the finite element (FE) models to obtain accurate response predictions can be achieved by vibration based FE model updating which uses experimental measures to minimize the differences between the numerical and experimental modal features (i.e. natural frequencies and mode shapes). Within this context, probabilistic model updating procedures based on the Bayes’ theorem were recently proposed in the literature in order to take into account the uncertainties affecting the structural parameters and their influence on the structural response. In this paper, a novel framework to efficiently estimate the posterior marginal PDF of the selected model parameters is proposed. First, the main dynamic parameters to be used for model updating are identified by ambient vibration tests on an actual structural system. Second, a first numerical FE model is developed to perform initial sensitivity analysis. Third, a surrogate model based on polynomial chaos is calibrated on the initial FE model to significantly reduce computational costs. Finally, the posterior marginal PDFs of the chosen model parameters are estimated. The effectiveness of the proposed method is demonstrated using a FE numerical model describing a curved cable-stayed footbridge located in Terni (Umbria Region, Central Italy).