结构随机反应概率密度演化分析的数论选点法

密度演化方法可以直接获取结构的线性和非线性响应概率密度函数解答及其演化过程。当结构参数与激励中含有多个随机变量时，在多维随机变量空间中的离散代表点选点规则对密度演化分析的精度和效率至关重要。基于高维数值积分的数论方法，建议了多维随机变量空间的数论选点方法。利用多维随机变量空间的联合概率密度函数的球对称性或近似辐射衰减性质，对数论方法给出的单位超立方体中的分布点集进行筛选，可大幅度减少选点数目，从而将具有多个随机变量的结构随机响应分析问题计算工作量降低到与单一随机变量结构随机响应分析问题相当的水平。     

随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法，采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造，并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致，实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步，基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型，并以顶点位移为指标，进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明，风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位，同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外，随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备，可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。     

随机结构非线性动力响应的概率密度演化分析

提出了随机结构非线性动力响应分析的概率密度演化方法．根据结构动力响应的随机状态方程，利用概率守恒原理，建立了随机结构非线性动力响应的概率密度演化方程．结合Newmark-Beta时程积分方法与Lax-Wendroff差分格式，提出了概率密度演化方程的数值分析方法．通过与Monte Carlo分析方法对比，表明所给出的概率密度演化方法具有良好的计算精度和较小的计算工作量．研究表明：随机结构非线性动力响应概率密度具有典型的演化特征，随着时间增长，概率密度曲线分布趋于复杂．     

基于逐步回归分析的随机响应面法

制约随机响应面法广泛应用的重要原因在于响应面展开式中的待定系数过多,计算效率不高.本文研究建立了改进的随机响应面法.首先,利用Nataf变换将给定边缘累积分布函数的相关随机变量转变为独立标准正态随机变量,进而将结构随机响应量描述为独立标准正态随机变量的混沌多项式展开式;然后,根据线性无关原则选取最优概率配点,并引入逐步回归分析剔除响应面展开项中的次要项,从而大幅减少展开式中的待定系数.算例分析表明,该方法具有较高的计算精度和效率.     

一种新型随机有限元法

将Legendre积分法应用于随机结构的有限元分析，针对多随机变量非线性问题，建立基于Legendre积分法的随机有限元算法及列式。选择不同的Legendre积分点数目进行算例分析，并用Monte-Carlo法的计算进行对比，考察该方法的有效性。计算结果显示，单随机变量问题在很少样本点的情况下，一阶矩、二阶矩既有较高的精度，在选点数较多时，多随机变量问题的一阶矩、二阶矩也有足够的精度。考虑到计算上有很高的效率，该方法在随机有限元的计算上具有一定的价值。     

非线性随机过程的有限元分析

本文根据实际复杂工程结构独立随机变量多，计算工作量大的特点，提出了用广义随机变量替代一般的独立随机变量以减少基本随机变量的数目，用响应曲面法替代敏度法或摄动法以提高计算效率。算例证明，以上措施取得了良好的效果，有助于非线性随机有限元法在实际工程结构可靠性分析中的应用。     

不确定结构时域响应分析的多项式维数分解法

针对具有不确定参数结构,提出时域不确定性传播和量化的多项式维数分解法,确定了结构响应统计量的演变过程.首先,采用参数概率模型来描述结构参数的不确定性,建立结构动力学方程,将结构响应表达为不确定参数的函数;进一步,将所关心的结构响应采用成员函数进行维数分解,并利用正交多项式基底对成员函数进行Fourier展开;最后,应用降维积分方法进行展开系数的求解,给出了响应均值和标准差的计算表达式.在数值算例中,将本文方法与蒙特卡洛方法进行对比,结果表明所建立方法具有较高的求解效率和计算精度.     

结构非线性随机地震反应的概率密度演化方法

运用随机过程的正交展开方法,将地震动加速度过程展开为由少量独立随机变量所调制的确定性函数的线性组合形式.结合概率密度演化理论,建立了结构非线性随机地震反应分析的密度演化方法.以滞回结构非线性反应分析为例,考察了一个具有10个自由度的剪切型框架结构的随机地震反应分析问题.分析表明,结构非线性地震反应具有明显的随机涨落现象,且概率密度曲线与常见的正态等分布相差甚远.     

考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性，对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法，提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法，并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先，考虑随机因素的空间变异性，采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量，并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式；然后，采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量，并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标，从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明，该方法具有较高的计算精度和计算效率；随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感；随着随机场相关偏度和变异性的增大，框架结构的可靠指标逐渐减小，说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

基于Nataf变换的层递响应面法分析结构可靠度

针对现有的随机响应面法(SRSM)和层递响应面法(CRSM)存在的局限性,本文结合预处理随机Krylov子空间法,建立了基于Nataf变换的向量型层递响应面法,并应用于含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析。首先,利用预处理随机Krylov子空间的层递基向量近似展开结构的总体节点位移向量,建立向量型层递响应面;然后,根据Nataf变换建立非高斯型互相关随机变量与独立标准正态随机变量之间的关系式,将独立标准正态空间内由Hermite多项式的根组合形成的概率配点变换成非高斯空间内的概率配点,并通过回归分析确定层递响应面的待定系数。计算结果表明,本文建立的CRSM属于向量型响应面法,能较好地处理含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析问题,计算精度和效率均较高,且具有良好的全域性。     

随机荷载作用下随机结构线性反应的概率密度演化分析

提出了随机荷载作用下随机结构线性静力反应的概率密度演化方法。基于力学平衡方程,导出了随机荷载作用下随机结构反应的状态方程,进而引入扩展状态向量,建立了随机荷载作用下的随机结构静力反应的概率密度演化方程,讨论了其差分数值求解技术,进行了八层框架结构在随机荷载作用下的反应的算例分析,在单一随机参数结构的情况下,与随机结构反应的精确解答进行了对比;对于多个随机参数结构随机反应,则与MonteCarlo分析结果进行了比较,研究表明,本文提出的方法具有很高的精度及良好的实用性。     

Parametric random excitation of nonlinear coupled oscillators

The stochastic bifurcation and response statistics of nonlinear modal interaction under parametric random excitation are studied analytically, numerically and experimentally. Two basic definitions of stochastic bifurcation are first introduced. These are bifurcation in distribution and bifurcation in moments. bifurcation in moments is examined for the case of a coupled oscillator subjected to parametric filtered white noise. The center frequency of the excitation is selected to be close to either twice the first mode or second mode natural frequencies or the sum of the two. The stochastic bifurcation in moments is predicted using the Fokker-Planck equation together with gaussian and non-Gaussian closures and numerically using the Monte Carlo simulation. When one mode is parametrically excited it transfers energy to the other mode due to nonlinear modal interaction. The Gaussian closure solution gives close results to those predicted numerically only in regions well remote from bifurcation points. However, bifurcation points predicted by the non-Gaussian closure are in good agreement with those estimated by numerical simulation. Depending on the excitation level, the probability density of the excited mode is strongly non-Gaussian and exhibits multi-maxima as predicted by Monte Carlo simulation. Experimental tests are carried out at relatively low excitation levels. In the neighborhood of stochastic bifurcation in mean square the measured results exhibit different regimes of response characteristics including zero motion and occasional small random motion regimes. These two regimes are characterized by the phenomenon of on-off intermittency. Both regimes overlap and thus it is difficult to locate experimentally the bifurcation point.     

结构随机动力非线性反应的整体灵敏度分析

以随机参数或参数子集对目标函数总方差的相对贡献作为该参数或参数子集的整体随机灵敏度度量,定义了一类整体随机灵敏度指标。结合结构非线性随机反应分析的密度演化方法,给出了计算整体随机灵敏度指标的基本算法。该灵敏度指标物理意义明确、计算实施方便。以滞回结构非线性反应分析为例,考察了以位移反应和滞回耗能为目标函数的不同随机参数(子集)的灵敏度指标。分析表明,不同随机参数(子集)对不同目标函数的灵敏度差异甚大,并且随机参数可能对结构反应的总方差产生负贡献。     

非均布随机参数结构非线性响应的概率密度演化

首先考察了概率密度演化理论中的点演化和群演化与概率空间剖分的关系. 继而,讨论了点集筛选的基本准则. 在此基础上推广了点集偏差的概念,对非均匀、非正态的一般多维分布,提出了广义F 偏差（GF 偏差）的概念,避免了偏差计算的NP 难解问题. 探索了GF 偏差与EF 偏差的关系. 以GF 偏差最小化为准则,建议了概率空间最优剖分与点集重整的新策略. 结果表明,上述方法能够处理包含多达数10 个随机变量的结构动力响应概率密度演化分析问题. 最后,指出了需要进一步研究的问题.      

非均布随机参数结构非线性响应的概率密度演化简

首先考察了概率密度演化理论中的点演化和群演化与概率空间剖分的关系. 继而,讨论了点集筛选的基本准则. 在此基础上推广了点集偏差的概念,对非均匀、非正态的一般多维分布,提出了广义F 偏差（GF 偏差）的概念,避免了偏差计算的NP 难解问题. 探索了GF 偏差与EF 偏差的关系. 以GF 偏差最小化为准则,建议了概率空间最优剖分与点集重整的新策略. 结果表明,上述方法能够处理包含多达数10 个随机变量的结构动力响应概率密度演化分析问题. 最后,指出了需要进一步研究的问题.     

Dimension-reduction of FPK equation via equivalent drift coefficient

The Fokker—Planck—Kolmogorov (FPK) equation plays an essential role in nonlinear stochastic dynamics. However, neither analytical nor numerical solution is available as yet to FPK equations for high-dimensional systems. In the present paper, the dimension reduction of FPK equation for systems excited by additive white noise is studied. In the proposed method, probability density evolution method (PDEM), in which a decoupled generalized density evolution equation is solved, is employed to reproduce the equivalent flux of probability for the marginalized FPK equation. A further step of constructing an equivalent coefficient finally completes the dimension-reduction of FPK equation. Examples are illustrated to verify the proposed method.     

非线性随机动力系统的概率密度演化分析

阐述了基于概率密度演化理论进行多自由度结构非线性随机动力反应分析的基本思想.采用随机过程的正交分解或物理系统建模的思想,实现随机激励的随机函数表述.对由此获得的随机状态方程采用概率密度演化理论求解,可以获得随机动力系统反应的概率密度函数及其演化.以某剪切型框架结构的非线性随机地震反应分析为例,说明了所发展方法的可行性和有效性.     

Dynamic stability and response of fluttered beams subjected to random follower forces

This paper presents a study of non-linear response of a fluttered, cantilevered beam subjected to a random follower force at the free end. The random follower force is characterized as the sum of a post-critical static force and a stationary process with a zero mean. First, the Ritz-Galerkin method is applied to yield a set of discretized system equations. The system equations are then partially uncoupled by a special modal analysis based on normal modes of the corresponding linear, autonomous system at the onset of fluttering. Next, the stochastic averaging method is utilized to get Ito's differential equation governing the amplitude of the fluttered mode. Finally, the probability density function for the amplitude of the fluttered mode is obtained by solving the FPK equation. Numerical results show that the probability density function for the amplitude of the fluttered mode is determined by the sample behavior of the beam near the trivial equilibrium configuration.