非粘滞阻尼系统时程响应分析的精细积分方法

考虑一个具有非粘滞阻尼特性的多自由度系统响应的时程分析问题.该非粘滞阻尼模型假设阻尼力与质点速度的时间历程相关,数学表达式体现为阻尼力等于质点速度与某一核函数的卷积.在利用状态空间方法将系统运动方程转换成一阶的状态方程的基础上,采用精细积分方法对状态方程进行数值求解,得到一种求解该阻尼系统时程响应的精确、高效的计算方法.通过两个数值算例表明,采用该方法得到几乎精确的数值计算结果,而且计算效率有成数量级的提高.     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

一种分析具有局部非线性的多自由度动力系统动力特性的方法

对于具有局部非线性的多自由度动力系统,提出一种有效方法,该方法将线性自由度转换到模态空间中,并对其进行缩减,而将非一自由度仍保留在物理空间中,避免了在数值分析中求非线性因素时的坐标转换。     

线性碰振系统周期解擦边分岔的一类映射分析方法

擦边分岔是碰振机械系统的一种重要分岔行为. 以固定相位面作为Poincaré截面， 建立了线性碰振系统单碰周期$n$运动的Poincaré映射. 通过分析该映射，得到了系统 发生擦边分岔的条件和分岔方程，并以单自由度碰振系统为实例验证了分析结果的正确性. 该方法不仅可以计算线性碰振系统擦边分岔的参数值，还可以计算系统的任意周 期$n$解的分岔参数值.     

多自由度非线性系统的同伦分析方法

大部分工程实际问题可以用多自由度非线性系统来描述,这些系统的数学模型是许多个耦合的两阶常微分方程.一般地,要精确求解这些方程非常困难,因此可以考虑它们的解析近似解.同伦分析方法是解非线性系统响应的有用工具,本文将它应用于多自由度非线性系统的求解中.利用求两自由度耦合van del Pol振子周期解的实例,展示了同伦分析方法的有效性和巨大潜力.同时,把得到的解析近似解与系统的Runge-Kutta数值解作了比较,结果表明同伦分析方法是求解多自由度非线性系统的有效方法.     

车辆-轨道系统垂向随机振动的辛方法分析

将轨道视为无限长的周期结构,建立车辆轨道垂向耦合模型. 使用虚拟激励法将随机的轨道不平顺激励转化为确定性的简谐激励,再用辛数学方法求解轨道结构的频率响应特性和耦合系统的响应功率谱. 整个计算模型只有26个自由度,求解过程快速而精确.数值算例中,将该方法与常规有限元方法进行了比较,验证了方法的高效性和正确性,讨论了车辆速度对系统随机响应的影响.      

波导本征问题的等几何分析方法

利用等几何分析思想通过加权余量法并结合亥姆霍兹方程推导出波导本征问题的等几何分析方程,提出了一种分析波导本征问题低自由度消耗、高精度的方法。该方法消除了传统数值方法中求解域的模型非一致性,从而实现了将问题的分析计算构架于精确的模型之上。以矩形和圆形波导的本征问题分析为例,通过与解析解和其他数值方法比较表明:在同等较细网格下,等几何分析模型仅花费1156个自由度,最大误差为0.003%,相比有限元的2245个自由度和0.03%的最大误差,此方法具有自由度少、精度高、收敛速度快等优点。     

区间参数振动系统的动力优化

对具有区间参数的多自由度振动系统的不确定性优化问题，提出一种新的区间优化方法．利用泰勒展开和函数的区间扩张，将区间优化问题转化为近似的确定性优化问题．该方法应用于多自由度线性扭振系统，并把区间设计变量的中值和不确定性半径取作优化参数．算例表明该方法是有效的．     

单步辛算法的相位误差分析及修正

若一个算法的幅值误差和相位误差都不累加，则该算法就是最理想的算法， 但这样的算法难以构造. 辛几何算法解决了幅值误差的累加问题，但相位误差累加问题仍然 存在. 给出了单步隐式辛算法相位误差的精确估计公式，提出了简单而实用的修正方法. 以 Euler中点隐式辛差分格式为例，针对几个线性动力学系统，对相位误差进行了数值分析和 修正.     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题. 对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应 的精确解. 遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解. 事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解 则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解. 因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径. 本文针 对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降 维. 针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程. 建议了构造等价漂移系数 的条件均值函数方法. 进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答. 结合单自由度Rayleigh 振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精 度和效率,验证了其有效性.      

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.      

独立失效模式多自由度随机滞回系统可靠性分析

基于Bouc-Wen滞回模型,研究了由滞回环本身的随机性导致的多自由度非线性随机系统可靠性分析问题。基于结构失效的首次穿越模型,应用四阶矩技术和Edgeworth级数逼近技术,对独立失效模式下多自由度随机滞回系统的可靠性问题进行分析。数值算例表明,由独立随机参数表征的随机结构,系统随机响应之间不再独立,存在协方差;系统响应之间相关系数不唯一,具有随时间连续变化的动态、强相关特性。分析计算结果与Monte-Carlo模拟结果吻合较好,表明算法能够满足工程计算精度要求。     

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.     

Frequency Reliability-Based Robust Design of the Suspension Device of a Jarring Machine with Arbitrary Distribution Parameters

The frequency reliability with arbitrary distribution parameters in the stochastic dynamic structure system of practical engineering and its related theories were studied deeply in the paper. The frequency reliability method of avoiding resonance was proposed by mechanical dynamics, stochastic finite element method, and reliability theory. Then the frequency reliability formula with arbitrary distribution parameters was deduced through Edgeworth series method. Furthermore, the frequency reliability sensitivity method was presented based on the frequency reliability research, which provided a preliminary efficient way to analyze how each random parameter contributed to the system reliability. Moreover, the frequency reliability-based robust design method of the stochastic dynamic structure system was obtained by robust and optimization technology on the basis of frequency reliability and sensitivity method, which helped designers to establish acceptable parameter values and to determine the fluctuations of the parameters for the safe operations. Meanwhile, a numerical example of the suspension device of a jarring machine with arbitrary distribution parameters was provided and studied, the numerical results were in agreement with practice, which demonstrated the efficiency and accuracy of the proposed methods.     

基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

地震作用下高层钢结构MTMD控制参数取值及优化设计研究

本文对地震作用下结构－MTMD系统的动力特性及优化设计进行了探讨,通过数值分析研究了MTMD系统各设计参数间的关系,给出了MTMD系统最优参数取建设,提出了MTMD系统优化设计及结构－MTMD系统优化设计方法,最后,算例说明了本文方法的应用及MTMD对结构地震反应控制的有效性。     

多稳态俘能系统的准确磁力建模方法

混沌和分岔使得多稳态俘能系统的非线性动力学响应对系统结构参数非常敏感, 导致了系统的非线性特性正向设计比较困难. 为了定量地表征非线性恢复力与结构参数的关系, 提出了一种多稳态俘能系统的准确磁力建模方法. 推导了多稳态俘能系统端部磁铁和外部磁铁的相对距离和转角位置, 并采用磁荷理论建立了多稳态系统的非线性磁力模型. 通过搭建实验平台测量了不同结构参数条件下多稳态系统的非线性磁力, 并对比了本方法与传统方法和实验测量的结果. 结果表明: 本方法的磁力计算结果与实验测量值吻合较好, 双稳态系统和三稳态系统的磁力峰值误差分别仅为4.3%和6.49%, 验证了本方法计算多稳态系统非线性磁力的有效性. 此外, 基于本方法探究了多稳态系统结构参数对系统势阱的影响机理, 获取了多稳态系统的稳态临界位置, 研究了双稳态和三稳态系统在不同结构参数下的响应电压规律. 参数优化结果表明, 双稳态系统在竖直距离为34 mm时, 均方电压最大为10.22 V; 三稳态系统在竖直距离为28 mm且水平距离为8 mm时, 均方电压最大为12.7 V. 该研究提出的模型以期为多稳态系统的输出性能优化设计提供借鉴.      

高维非线性振动系统参数识别

将增量谐波平衡非线性识别推广到高维振动系统, 推导了基于增量谐波平衡的多自由度非线性系统的识别方程. 针对一个两自由度系统进行了数值模拟计算, 讨论了系统在单周期、倍周期和混沌运动状态下的参数识别, 以及噪声对识别结果的影响, 验证了增量谐波平衡非线性识别在多自由度系统中的有效性. 结果表明, 该方法具有较高的计算效率和识别精度, 以及良好的抗噪能力.      

不确定非线性结构动力响应的区间分析方法

研究多自由度非线性不确定参数系统的动力响应问题. 以区间数学为基础，将不确定 性参数用区间进行定量化，借助一阶Taylor级数，给出了近似估计非线性振动系统动力响 应范围的区间分析方法. 从数学证明和数值算例两方面，将其与概率摄动有限元法进行了比 较，结果显示区间分析方法对不确定参数先验信息具有要求较少、精度较高的优点.