考虑动荷载响应的结构形状优化设计研究

以产生相同位移场为基础，将动荷载转化为一系列的等效静荷载，然后将这些等效静荷载作为多个载 荷工况进行有限元优化设计分析. 通过几个算例的验证，表明这种基于动荷载等效转换的算 法能够反映动荷载对结构的动力响应，对具有大规模自由度的结构形状优化问题是有效的.     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

连体构架避雷针风振计算的简化方法

为简化构架避雷针风振时域计算从而有效降低计算耗时,以单跨和三跨构架避雷针结构为例,根据构架体系的结构特性和风振特点,提出一种简化计算方法,即对每个塔架单独建模并考虑结构刚度和质量系统的一致性和横梁荷载的等效加载,从而对每个塔架单独进行动力计算,并对这种简化方法的合理性进行了验证．研究发现,构架避雷针的频率较小,风振效应较为显著,但在各方向均以一阶振型为绝对主力;构架避雷针的塔架在平面外的荷载耦联效应极小,平面内也仅表现有位移均值的耦联效应：这两个结构特性也为风振简化计算提供了便利．对每个塔架的简化模型,通过在塔架与原横梁连接处设置弹簧和附加质量来实现对原结构一阶振型的等效,并通过影响线法将横梁分布风荷载等效为塔架的集中荷载．由此简化方法所得的结构风振静动力响应结果均与原始结构有良好一致性,并且计算效率得以显著提升．     

大跨屋盖结构考虑模态耦合的等效静力风荷载

基于荷载响应相关法提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法. 该方法不 再分别计算结构的背景响应和共振响应，而是采用完全二次型组合法直接计算结构的整体动 态响应；而且这种方法能够考虑多阶模态的贡献和各阶模态响应间的耦合效应. 最后，将一 大跨屋盖结构(深圳市民中心)作为实际工程应用案例，计算了它的等效静力风荷载，并将 其与其他方法的计算结果进行比较，以验证方法的有效性.     

苏联第11个五年计划期间结构计算理论和方法的主要科学研究方向

在1981—1985的第11个五年计划期间,苏联建筑力学和结构计算理论将在下述9个方向予以发展。1.按照静荷载,动荷载(其中包括地震荷载)和气候等作用下的综合图,研究房屋和工程结构的计算方法,这里假定结构物为统一的空间系统,并考虑所有结构部件的工作。目前,建筑物设计主要是根据有不同理由的简化计算模型进行计算。在多数计算模      

连续体结构非概率可靠性拓扑优化

基于非概率可靠性 指标的定义，考虑材料、几何及荷载大小的不确定性，提出以结构体积最小化为目标、具有 位移非概率可靠性约束的三维连续体拓扑优化数学模型. 采用目标性能方法对优化模型进行 转换，给出目标性能值的伴随法灵敏度分析算法，利用数学规划法实现优化问题的求解. 数 值算例验证了所提出优化模型的正确性及算法的有效性，并指出相对于确定性优化而言，非 概率可靠性拓扑优化能够给出在考虑不确定参数和荷载条件下更合理的材料分布.     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下，采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下， 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题，优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差，约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法，考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应，构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比，验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应，引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景，验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性，并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

基于Fourier-TOuNN的鲁棒性拓扑优化设计

为推广拓扑优化设计方法的工程应用,需要在设计过程中考虑结构鲁棒性以应对实际工程荷载的随机性。本文基于神经网络提出了鲁棒性结构拓扑优化设计的高效方法。该方法通过优化Fourier-TOuNN神经网络的权值更新描述结构拓扑的密度变量,并引入随机荷载下结构柔顺度平均值和标准差的加权总和作为目标函数,从而定义了随机荷载下的结构鲁棒性优化问题。利用神经网络的自动反向微分功能,实现了优化过程中灵敏度的直接求解。借助Fourier-TOuNN细部尺寸可控特性,可在结构中生成细小支撑以抵抗随机荷载。数值算例表明,采用本文提出的方法可以高效地获得鲁棒性稳健的优化设计结果。     

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.     

基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。     

基于等效静态载荷法的非线性动态拓扑优化

等效静态载荷法是目前解决动态拓扑优化问题的一种有效方法,但是由于未考虑塑性变形中应力应变关系的时效性,会导致等效载荷偏大和载荷方向偏差,因此无法有效处理材料的非线性问题.据此,提出一种基于模量比率因子的等效静态载荷计算方法.首先,根据结构应力、应变和杨氏模量之间的函数关系,计算各时刻的计算杨氏模量;然后,得到各时刻的模量比率因子,根据位移等效原则计算修正等效静态载荷,进而进行多工况静态拓扑优化,并更新设计变量再次进行动力学分析,重复直至收敛.数值算例表明,修正后的等效静态载荷法能够解决弹塑性材料的非线性问题,在提高等效精度的同时拓展了在非线性材料方面的应用边界.工程算例表明,在相同约束下,采用基于模量比率因子的等效静态载荷法在轻量化的同时能得到更小的塑性应变.     

不确定荷载下类桁架结构拓扑优化分析

研究不确定荷载下应力约束拓扑优化结构．不确定荷载用区间变量表示,将不确定性区间荷载用有限个可能工况组合表示,从而将不确定性荷载问题转化为多工况问题．采用基于类桁架材料模型的多工况应力约束拓扑优化方法,求解不确定荷载作用下的拓扑优化结构．推导两杆结构的解析解,通过解析解验证了数值算例方法的有效性．分析比较了几个不确定荷载与确定性荷载作用下拓扑优化结构．     

Topology optimization of a flexible multibody system with variable-length bodies described by ALE–ANCF

Recent years have witnessed the application of topology optimization to flexible multibody systems (FMBS) so as to enhance their dynamic performances. In this study, an explicit topology optimization approach is proposed for an FMBS with variable-length bodies via the moving morphable components (MMC). Using the arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) formulation, the thin plate elements of the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) are used to describe the platelike bodies with variable length. For the thin plate element of ALE–ANCF, the elastic force and additional inertial force, as well as their Jacobians, are analytically deduced. In order to account for the variable design domain, the sets of equivalent static loads are reanalyzed by introducing the actual and virtual design domains so as to transform the topology optimization problem of dynamic response into a static one. Finally, the novel MMC-based topology optimization method is employed to solve the corresponding static topology optimization problem by explicitly evolving the shapes and orientations of a set of structural components. The effect of the minimum feature size on the optimization of an FMBS is studied. Three numerical examples are presented to validate the accuracy of the thin plate element of ALE–ANCF and the efficiency of the proposed topology optimization approach, respectively.     

多工况线性结构稳健拓扑优化设计

针对实际工程中存在的多工况、载荷不确定的情况, 研究了概率方法表示载荷不确定性的多工况线性结构稳健拓扑优化设计方法. 基于线弹性位移叠加原理给出了多工况、不确定性条件下结构柔度均值与方差的计算方法, 并在此基础上推导了结构灵敏度公式. 对于承受M个工况的二维结构, 根据每个工况下的柔度均值和方差以及灵敏度信息求出其结构整体的均值、方差及灵敏度信息;而结构在单工况n个不确定载荷下的均值方差及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移求得. 提出了以结构整体柔度均值和标准差的加权和最小为目标、体积约束下的稳健拓扑优化设计方法. 数值算例验证了所提方法的正确性和有效性以及载荷不确定、多工况条件下优化设计结果的稳健性. 该设计方法可以很方便的推广到三维结构问题.      

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

载荷作用位置不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

研究当外载荷作用位置不确定时, 连续体结构动态稳健性拓扑优化设计. 在减小结构对简谐激励动响应的同时, 有效降低其对外载荷作用点随机扰动的敏感性. 首先基于非概率凸模型的方法, 将外激励作用位置的不确定性用有界区间变量表示. 其次通过对加载位置的导数分析, 获得了在激励位置扰动情况下结构动柔顺度的二阶泰勒展开式. 基于变密度方法, 推导出了动柔顺度对拓扑设计变量的一阶灵敏度显性表达式. 最后在材料体积约束下, 采用移动渐近优化算法并结合载荷扰动区间内灵敏度的最大绝对值, 对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计, 并与传统载荷位置固定条件下的确定性优化结果进行对比, 充分展示考虑外激励作用位置扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响. 数值优化结果表明, 采用文中提出的方法所获得的结构动响应的稳健性更高, 能有效抵抗外激励作用位置的随机扰动. 只要少许增大材料的体积, 稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.      

板片空间结构初始缺陷的动力稳定性影响分析

对板片空间结构体系的研究大都局限于静力载荷工况，结构在动力载荷作用下的稳定性及失效特征研究仍相对缺乏．板片空间钢结构先天存在各样缺陷，而缺陷对结构稳定性的影响不可忽略．本文引入拉丁超立方法，结合Budiansky-Roth 准则，提出适用于求解含初始缺陷结构动力临界荷载的方法，对板片空间结构初始缺陷的动力稳定性开展研究．研究表明，相比于其它抽样方法，拉丁超立方法能显著减少样本数，有效提高计算效率．针对典型的板片空间结构，施加不同方向的阶跃荷载，分析了节点位置偏差缺陷、杆件截面尺寸缺陷以及板片厚度缺陷对板片空间结构临界承载力的影响．结果显示，节点位置偏差缺陷对该结构临界承载力影响最为显著，其它两类缺陷影响甚微．     

基于概率的平面连续体结构拓扑优化

构建了随机载荷作用下具有随机参数的平面连续体结构拓扑优化设计模型,以结构总质量均值极小化为目标函数,以满足单元应力可靠性为约束条件;对应力可靠性约束进行了等价显示化处理;导出了随机参数结构的应力反应数字特征的计算表达式;提出了相应的求解策略和方法。算例的优化结果表明文中模型的合理性和方法的有效性。