基于滑模理论的建筑结构分散稳定控制

基于大系统分散控制思想,将大尺度高阶建筑结构系统分解为多个子结构系统;子结构之间的相互耦合作用视为有界广义力,得到以状态方程形式的子结构模型。利用滑模理论的抗摄动条件,设计具有全局稳定的子结构滑动模态轨迹,利用子结构系统局部状态实现全局稳定的控制力条件,并以参数ρi实现各子结构间的调节,建立稳定的分散控制格式。在控制算法中采用了准滑模控制方法,克服变结构滑动模态中的抖振影响。利用本文方法,对20层钢结构基准模型在地震激励下的控制进行设计并数值仿真,验证了该方法的有效性。     

动力子结构模态综合解法的并行算法

本文根据动力子结构模态综合法,提出了相应的并行算法。该算法有效地将整个结构分成独立的多个子结构,然后由多个CPU同时独立求各子结构的分支模态和进行各子结构的分支模态变换。再串行组集界面刚度和质量阵,并求解缩减后的整体方程。最后返回各子结构求结点位移对于(`ω~2`)的模态(φ),这一步也在各CPU内独立地同时进行。该方法在西安交通大学的ELXSI-6400并行机上程序实现,表明能有效地节省计算时间,为一种大型结构动力分析方法。     

基于键合图法的多个子结构自由界面模态综合法研究和应用

将键合图方法用于动态子结构研究,提出了一种求解多个子结构自由界面模态综合法的新方法。通过一系列物理和数学上的分析,详细推导出多个子结构自由界面模态综合法的计算过程。在本文给出的算例中,基于键合图方法的自由界面模态综合法,通过建立各个子结构的状态空间方程,计算子结构相应的特征值矩阵和振型矩阵;这些子结构在进行模态综合后,获得整体结构的特征值矩阵和振型矩阵,该结果和原来整体结构完全相同,这进一步说明了本文提出的新方法的正确性。运用本文提出的方法建立状态空间方程,在子结构的模态综合过程中,不会产生系统特征值的增失根问题,确保了子结构在综合后其整体结构模态信息的完整性。     

固定界面动态子结构方法研究车内噪声问题

随着社会的发展，降低车内噪声越来越受到人们的重视。由于整车结构复杂，本文采用包括软子结构的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用固定界面模态综合法，建立整车结构车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其总质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。在已建立的总系统动力学模型基础上，在时域内对前后轴分别激励时汽车振动和车内噪声特性进行仿真模拟，并通过台架试验对仿真结构进行验证。     

用样条子结构法分析高层建筑结构

本文提出分析高层建筑结构的样条子结构法,根据抗侧力体系的布置,把高层结构划分成几个子结构,采用样条级数与三角级数来描述子结构的位移场,在变分原理的基础上形成子结构刚度矩阵,考虑各子结构间的位移协调与边界条件,建立结构的总体刚度矩阵。与有限元及有限条法相比,具有精度高,计算量小,程序易编制等特点,且对各种类型的高层建筑结构均可适用。实例计算表明,本文方法精度能满足工程设计的要求。     

一种求解局部非线性结构稳态响应的方法

为了降低求解局部非线性结构稳态响应的计算量,基于子结构和阻抗缩聚提出了一种用于求解局部非线性结构稳态响应的计算方法.将局部非线性结构分解为线性子结构和非线性子结构,利用谐波平衡构造各个子结构的阻抗方程,对线性子结构进行缩聚,将局部非线性动力学方程转化为求解一组非线性代数方程组问题,通过迭代求解非线性代数方程组,求解系统的稳态响应.     

局部网格生成中初始探索圆半径的搜索算法

无网格不一致性的基于节点的局部网格生成(NLMG)算法是基于节点的局部有限元方法(NLFEM)实现无缝连接的核心算法之一,而快速合理的确定中心节点的初始探索圆半径是降低NLMG算法计算量和确保其可靠性的关键一步。本文提出了基于均匀桶的快速局部搜索算法(UBFLSM),并将其成功应用于NLMG算法,解决了初始探索圆半径和探索圆半径优化后候选卫星点集的确定这两个难点,确保NLMG算法无网格不一致性。并/串行数值试验(实现从网格生成到总刚度矩阵生成之间的无缝连接)均表明,该算法是快速及可靠的。     

齿轮箱非线性耦合系统的动力学分析

分别建立了啮合齿轮子系统弯扭耦合振动模型、弹性轴子系统的弯曲振动和扭转振动模型以及齿轮箱弹性箱板子系统的横向振动模型,通过轴承多维刚度矩阵和子结构之间的受力变形协调关系将各子结构的振动模型联立起来,从而得到整个齿轮箱耦合系统的动力学模型。结合相图和庞加莱映射图分析了系统的运动特性,采用功率流方法研究了系统振动能量传递特性及其影响因素,揭示了外部激励和轴承刚度等因素对系统特性的影响,为齿轮箱系统的振动控制与结构设计提供了新的分析方法和理论依据。     

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

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。     

The effects of hierarchy on the in-plane elastic properties of honeycombs

Introducing hierarchy into structures has been credited with improving elastic properties and damage tolerance. Specifically, adding hierarchical sub-structures to honeycombs, which themselves have good-density specific elastic and energy-absorbing properties, has been proposed in the literature. An investigation of the elastic properties and structural hierarchy in honeycombs was undertaken, exploring the effects of adding hierarchy into a range of honeycombs, with hexagonal, triangular or square geometry super and sub-structure cells, via simulation using finite elements. Key parameters describing these geometries included the relative lengths of the sub- and super-structures, the fraction of mass shared between the sub- and super-structures, the co-ordination number of the honeycomb cells, the form and extent of functional grading, and the Poisson’s ratio of the sub-structure. The introduction of a hierarchical sub-structure into a honeycomb, in most cases, has a deleterious effect upon the in-plane density specific elastic modulus, typically a reduction of 40 to 50% vs a conventional non-hierarchical version. More complex sub-structures, e.g. graded density, can recover values of density specific elastic modulus. With careful design of functionally graded unit cells it is possible to exceed, by up to 75%, the density specific modulus of conventional versions. A negative Poisson’s ratio sub-structure also engenders substantial increases to the density modulus versus conventional honeycombs.     

连体结构基于时域显式法的瞬时最优控制算法

本文针对受到非平稳地震激励作用下的连体结构提出一种基于时域显式法的瞬时最优控制算法。该算法可以利用有限元模型施加脉冲荷载快速建立受控模型,可以避免系统状态部分可观测的问题,而且可以根据需要单独调控子结构受控效果的优点。一连体高层建筑结构算例用来说明该算法,并将该算法与传统瞬时最优控制算法比较,结果表明本文算法具有良好的控制效果。     

Modeling and Application of Gas Pressure Measurement in Water-Saturated Coal Seam Based on Methane Solubility

The unconfined seepage problem is a classic moving boundary problem, in which the position of phreatic surface is unknown at the beginning of solution and should be determined through iteration. Mesh-free methods are especially suitable for solving this problem. In this work, the moving Kriging mesh-free method with Monte Carlo integration is proposed. Additionally, a corresponding procedure for handling material discontinuity is presented, which extends the approach to inhomogeneous medium. The present method is a true mesh-free method, which does not require a mesh for either shape function construction or numerical integration. Another advantage of the present method is the convenient numerical implementation. Numerical examples show that the present method can achieve better convergence and higher accuracy with rational computation cost when compared with the original mesh-free method. The present method is also verified to be applicable in analyzing transient seepage through homogeneous and inhomogeneous media.     

模态分析与动态子结构方法新进展

综述在模态分析与动态子结构方法研究的一些最新进展.首先回顾经典的位移展开定理和模态叠加原理.为了加速经典方法的收敛速度、提高计算效率, 进一步介绍两个新的结构位移展开定理(采用固定界面模态的位移展开新定理, 给出采用低阶固定界面模态的高精度位移展开式;采用混合模态的位移展开新定理, 给出采用低阶混合模态表示的高精度位移展开式)和相应的动力学新解法.相应上述3个位移展开定理, 介绍采用解析推导的方法构造出3类动态精确子结构方法, 各种子结构模态综合法实质上都是它们的某种近似与变化形式, 从而形成系统的动态子结构分析技术.上述介绍的模态分析与动态子结构方法新进展与经典模态分析技术一起形成结构动力学分析技术的系统理论.      

基于界带模型的碳纳米管声子谱的辛分析

针对碳纳米管声子谱的数值计算方法研究,基于对偶体系和辛几何算法提出了一套全新的计算方法和相应的界带结构模型,通过将碳纳米管模拟成不同的结构力学模型,利用分析结构力学中的振动理论来计算碳纳米管的色散关系.理论框架包括:周期结构的变分原理、周期结构中波的传播分析、子结构方法、界带理论和声子色散关系的基本算法.数值算例验证了理论和算法的有效性,而且也指出了针对碳纳米管的声子谱的计算,界带模型相对于其它传统模型存在着一定的优势.     

RBF collocation method and stability analysis for phononic crystals

The mesh-free radial basis function (RBF) collocation method is explored to calculate band structures of periodic composite structures. The inverse multi-quadric (MQ), Gaussian, and MQ RBFs are used to test the stability of the RBF collocation method in periodic structures. Much useful information is obtained. Due to the merits of the RBF collocation method, the general form in this paper can easily be applied in the high dimensional problems analysis. The stability is fully discussed with different RBFs. The choice of the shape parameter and the effects of the knot number are presented.     

配点型广义节点无网格法的基本原理及其应用

借鉴流形方法思想,引入广义节点的概念,对传统的无网格法进行了改进,建立了可具有任意高阶多项式插值函数的广义节点无网格方法。同时采用径向插值函数构造具有插值特性的逼近函数;采用配点法建立系统的离散方程。在阐述了这种方法基本原理的同时,针对线弹性力学问题给出了这种方法的数值计算列式。与传统无网格方法相比,这种方法更具有一般性;同时由于采用了配点法而不需要背景积分网格,所以可以认为这种方法是某种真正意义上的无网格法。当选取0阶广义节点位移插值函数时便可得到传统的无网格法;在不增加支持域内节点数目的条件下,通过选取高阶广义节点位移插值函数可以提高计算精度。最后通过算例分析,对0阶、1阶及2阶广义节点无网格法与现有的有关解答进行了对比,论证了其合理性。     

组合结构有限元模型的分步实验校正

本文从结构有限元建模实际情况出发，提出了一个组合结构有限元分析模型的分步实验校正方法。分析模型的误差主要归于两类：一是某些子结构因局部形状复杂；经过分简化而引起。二是各子结构间连接参数估计不准而引起。为此，建议分步校正，先利用子结构动态实验数据，修正子系统阵中与简化处相关的局部物理参数，再由组合结构的动态实验数据，修正子结构间连接参数，从而完成整体有限元模型的修正。导出了修正公式，给出了修正算法。     

Phonon dispersion analysis of carbon nanotubes based on inter-belt model and symplectic solution method

The objective of the study is to develop a totally new theory and structural mechanics model for phonon dispersion analysis of carbon nanotubes. The fundamental theory and computational algorithm for phonon dispersion analysis of carbon nanotubes are developed based on the symplectic theory and algorithm established in applied mechanics in recent years. Carbon nanotubes are simulated by two kinds of structural mechanics models, i.e. the conventional sub-structure model and the inter-belt model. The variational principle for wave dissipation analysis of periodic structure is given on the basis of the symplectic-mathematical theory. Numerical examples are carried out to demonstrate the validity of the theory and algorithm developed. By the comparison of the results obtained by the two kinds of structural mechanics models, it can be found that the inter-belt model has more advantages than the conventional sub-structure model in the calculation of phonon spectra of nanotubes. As a basic research work, the present study illustrates well the potential of the symplectic-mathematical theory as well as the inter-belt model and is valuable for the further research in computational nanomechanics.     

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。