基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征.为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响,利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模.在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响.最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响.上述结果可以为结构优化提供技术支持.     

水下航行体螺栓法兰连接结构可靠性分析

螺栓法兰连接结构中的摩擦、接触、间隙及预紧力等因素,会导致水下航行体结构在复杂载荷环境中出现非线性的动力学响应特性,甚至破坏连接结构.目前,常取指定时段内的各类内力最大值同时施加于连接结构进行可靠性分析,导致结构设计偏于保守.为解决此问题,本文基于随机水动力载荷作用下水下航行体结构内力响应数据,分析螺栓法兰连接结构在端面内力组合作用下的最大Mises应力,由此建立连接结构端面内力组合的极限状态面,利用最大熵方法开展螺栓法兰连接结构可靠性分析.为提高分析效率,根据连接结构端面各类内力在塑性极限状态面附近的线性相关性,提出以端面等效弯矩为指标的工程可靠性分析方法,并通过数值仿真分析对可靠性分析结果精度进行校核.     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

冲击载荷作用下弹塑性板的反常动力响应研究

对弹塑性方板在横向脉冲载荷作用下动力响应的反直观行为进行了数值模拟及分析,给出了产生反直观行为的载荷范围和对相关问题的探讨。详细的分析发现,随着脉冲强度的增加,在几个窄的载荷区域,板的响应是反直观的,而且在此附近,结构参数、载荷等因素的微小改变将导致响应模式的很大差异,表明反直观行为对这些参数的敏感性。进一步的计算表明,这一特殊的动力行为主要与板的内力间的相互耦合作用密切相关,同时,卸载后的结构反弹到另一侧时发生较大的反向塑性变形,导致能量的进一步耗散,使板呈现反常的动力响应,这一现象是几何与材料两种非线性相互作用的结果。     

超空泡运动体圆柱薄壳的非线性动力屈曲分析

超空泡运动体的动力屈曲失稳具有隐蔽性、突发性和危险性, 因而必须研究清楚运动体的失稳区域边界及失稳振幅. 将超空泡运动体模拟成受轴向周期载荷作用的细长圆柱薄壳, 给出非线性几何方程、物理方程和平衡方程, 建立细长圆柱薄壳带有非线性项的动力屈曲微分方程组; 依据非线性项的形式, 给出合理的非线性位移表达式, 得到具有周期性系数的非线性横向振动微分方程; 采用伽辽金变分法和和鲍洛金方法, 获得带有周期性系数和非线性项的马奇耶方程; 求解非线性马奇耶方程, 得到第一、第二阶不稳定区域内的定态振动振幅的解析表达式; 绘制超空泡运动体的非线性参数共振曲线, 分析航行速度、载荷比例系数、轴向载荷频率和振型对参数共振曲线的影响. 以上研究为建立基于参数共振的圆柱薄壳动力失稳的可靠性分析及基于参数共振可靠性的结构动力优化设计的奠定了理论基础.      

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

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.      

在冲击载荷作用下弹塑性圆板的反直观动力行为数值分析

对周边简支理想弹塑性圆板受脉冲载荷作用时的动力行为进行了数值计算与分析,揭示了板类结构反直观动力行为的客观存在性．通过分析发现,随着脉冲强度的增加,存在几个窄的载荷区域,板的响应是反直观的,而且在此附近,结构参数、载荷等因素的微小改变将导致响应模式的很大差异,表明反直观行为对这些参数的极其敏感性．进一步计算表明,这一特殊的动力行为主要与板内力间的相互耦合作用密切相关,同时,卸载后的结构反弹到另一侧时发生较大的反向塑性变形,导致能量的进一步耗散,使板呈现反常的动力响应．这一现象是几何与材料两种非线性相互作用的结果。     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用，其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异，含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此，考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应，对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型，基于径向基函数(RBF)神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型，对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析；同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响；最后，利用RBF神经网络代理模型，开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

Time and frequency domain nonlinear system characterization for mechanical fault identification

Mechanical systems are often nonlinear with nonlinear components and nonlinear connections, and mechanical damage frequently causes changes in the nonlinear characteristics of mechanical systems, e.g. loosening of bolts increases Coulomb friction nonlinearity. Consequently, methods which characterize the nonlinear behavior of mechanical systems are well-suited to detect such damage. This paper presents passive time and frequency domain methods that exploit the changes in the nonlinear behavior of a mechanical system to identify damage. In the time domain, fundamental mechanics models are used to generate restoring forces, which characterize the nonlinear nature of internal forces in system components under loading. The onset of nonlinear damage results in changes to the restoring forces, which can be used as indicators of damage. Analogously, in the frequency domain, transmissibility (output-only) versions of auto-regressive exogenous input (ARX) models are used to locate and characterize the degree to which faults change the nonlinear correlations present in the response data. First, it is shown that damage causes changes in the restoring force characteristics, which can be used to detect damage. Second, it is shown that damage also alters the nonlinear correlations in the data that can be used to locate and track the progress of damage. Both restoring forces and auto-regressive transmissibility methods utilize operational response data for damage identification. Mechanical faults in ground vehicle suspension systems, e.g. loosening of bolts, are identified using experimental data.     

The nonlinear vibration analysis of a clamped-clamped beam by a reduced multibody method

The nonlinear response characteristics for a dynamic system with a geometric nonlinearity is examined using a multibody dynamics method. The planar system is an initially straight clamped-clamped beam subject to high frequency excitation in the vicinity of its third natural mode. The model includes a pre-applied static axial load, linear bending stiffness and a cubic in-plane stretching force. Constrained flexibility is applied to a multibody method that lumps the beam into N elements for three substructures subjected to the nonlinear partial differential equation of motion and N-1 linear modal constraints. This procedure is verified by d'Alembert's principle and leads to a discrete form of Galerkin's method. A finite difference scheme models the elastic forces. The beam is tuned by the axial force to obtain fourth order internal resonance that demonstrates bimodal and trimodal responses in agreement with low and moderate excitation test results. The continuous Galerkin method is shown to generate results conflicting with the test and multibody method. A new checking function based on Gauss' principle of least constraint is applied to the beam to minimize modal constraint error.     

LOW-FREQUENCY RESPONSES OF NONLINEARLY MOORED VESSELS IN RANDOM WAVES: COUPLED SURGE,PITCH AND HEAVE MOTIONS

The responses of a multi-degree-of-freedom model of a moored vessel are analysed, accounting for the hydroelastic interaction between the nonlinear wave hydrodynamics and the nonlinear mooring stiffness. A two-scale perturbation method developed by Sarkar & Eatock Taylor to determine low-frequency hydrodynamic forces on a single-degree-of-freedom model of a nonlinearly moored vessel has been extended to analyse the nonlinear multi-degree-of-freedom dynamics of the system. Surge, heave and pitch motions are considered. The perturbation equations of successive orders are derived. To illustrate the approach, semi-analytical expressions for the higher-order hydrodynamic force components have been obtained for a truncated circular cylinder in finite water depth. In addition to conventional quadratic force transfer functions, a new type of higher-order force transfer function is introduced. This is used to characterize the hydrodynamic forces on the vessel which arise due to nonlinearity of the mooring stiffness. These are a type of radiation force, generated by the nonlinear interaction of the fluid–structure coupled system. Based on a Volterra series model, the power spectral densities of the new higher-order forces are then derived for the case of Gaussian random seas. It is shown that the additional response arising due to nonlinear dynamics of the mooring system can significantly contribute to low-frequency drift forces and responses of the vessel. Unlike conventional non-Gaussian second-order forces which are quadratic transformations of a Gaussian random process, the new higher-order forces arising due to the nonlinear mooring stiffness are polynomials of a Gaussian random process (up to fourth order for a Duffing oscillator model). This may significantly influence the extreme responses.     

半刚性钢框架的内力分析

采用二阶非线性分析方法分析和设计半刚性钢框架，包括连接的柔性以及构件的几何非线性的影响，提出了半刚性钢框架中梁柱单元刚度矩阵和半刚性梁的单元刚度矩阵；推导了半刚性梁在集中荷载，均布荷载，线性荷载作用下的固端弯矩的求解公式；连接的柔性对无支撑框架的侧移有很大的影响，设计时通过变化连接的刚度以平衡梁的跨中和端弯矩。     

包带连接特性及星-箭-包带连接结构耦合动力学的研究进展

包带连接结构是目前航天领域应用最广泛的星箭连接和分离机构. 包带连接结构通过组件间的接触、摩擦传递载荷, 在预紧力作用下实现星箭连接. 各组件间的接触、摩擦力学行为随外载荷的变化而改变, 从而导致包带连接刚度具有明显的非线性特征, 影响火箭的运载能力以及星箭系统的动力学特性. 本文对包带连接结构的局部连接特性及其对星箭整体系统动力学特性的影响进行了综述. 首先介绍了国内外针对包带连接特性开展的研究工作, 重点评述了有关包带连接结构的承载能力和连接刚度等问题的研究进展; 随后, 围绕包带连接结构在星箭系统模型中的表征及其对星箭系统动特性的影响等问题, 对星-箭-包带耦合动力学进行了论述; 最后, 指出了这一领域需要进一步研究的若干问题.      

大转动曲边柱壳非线性3-D动力学建模及分析

对曲边柱壳受轴向非均匀内压作用下的大转动几何非线性3-D动力学行为进行了研究.基于Nayfeh and Pai[1]非线性壳体理论,给出了考虑几何非线性的3-D混合型（含内力与位移）动力学模型.为了克服该强非线性模型难以求解的问题,依据分析获得的结构静动态变形关系,采用Lagrange方程推导建立了基于结构静态解的曲边柱壳多自由度3-D动力学方程,并对其进行了线性化与降阶处理,结合差分法获得了一套高效的求解算法.与LS-DYNA有限元结果的吻合,验证了本文方法的正确性.最后分析了单元数和计算时间步分别对有限元模型和本文方法的影响,发现求解精度随着计算时间步的减小不断提高直至趋于稳定.同时对采用本文方法获得的曲边柱壳动态变形模式的分析表明:结构动态响应与其所受内压载荷沿轴向的分布形式关系紧密,可以通过改变或者设计内压轴向分布形式来影响以及控制结构的动态变形模式,从而应用于曲边柱壳结构设计及优化的工程实际中.     

大跨悬索桥抖振内力响应分析

基于虚拟激励法和有限元法,在频域建立了一种新的桥梁抖振内力响应分析的随机振动方法。该方法与传统随机振动方法相比具有如下两个特点:(1)单元抖振内力响应同时考虑了保留模态多模态耦合产生的动力效应和保留模态外高频模态产生的拟静力效应;(2)单元抖振内力响应同时考虑了单元杆端位移产生的单元杆端力和单元上分布荷载产生的单元固端力。以香港青马悬索桥为例,分析了保留模态多模态耦合产生的动力效应、高频模态拟静力效应、单元上分布荷载产生的单元固端力及主缆上的抖振荷载等因素对主梁抖振内力响应的贡献。结果表明:保留模态多模态耦合产生的动力效应对主梁抖振内力响应占据主导地位,高频模态拟静力效应、单元上分布荷载产生的单元固端力等因素对主梁抖振内力响应均有一定的影响,主缆上的抖振荷载对主梁侧向抖振内力响应有较大贡献。