基于Lanczos算法的模态重分析法及其在车身结构设计中的应用

模态重分析是指在结构修改之后不需要重新求解广义特征值方程,仅需要根据初始计算结果对修改后的问题进行求解,并能够在保证精度的前提下,提高计算速度。随着结构复杂度和修正量的增加,传统重分析方法的求解精度和稳定性随之下降。为此,利用初始结构模态分析结果,结合Lanczos算法和投影技术,采用缩减基方法求解修改结构的特征值和特征向量,使其同时具备了Lanczos向量快速收敛的优点和基于全局近似的缩减基向量的高精度。为了验证该方法的性能和准确性,对本文方法基于扩展基向量和瑞利-里兹分析的模态重分析法以及改进的单步摄动瑞利商逆迭代法进行了测试。测试结果表明,该方法具有最高的计算精度。同时,将该方法成功用于车架和车门的前期设计中,计算结果表明,该方法具备处理计算规模大、拓扑修改变化量大的结构分析问题的潜力。     

三相声子晶体能带结构计算的位移-面力映射方法

发展了基于位移-面力映射的方法计算三相声子晶体的能带结构,分析了弹性波在其中传播的特性.由弹性动力学方程出发,利用位移.面力映射,导出波动模态的特征值方程,得到三相局域共振声子晶体反平面剪切波的频散关系(即能带结构).以金-橡胶-环氧树脂体系为例,计算并分析了材料组配、几何尺寸等对频散关系造成的影响.研究结果显示:位移...     

SH波在局部非均匀声子晶体中的传播

使用传输矩阵法,研究了水平剪切波(SH波)在一维局部材料非均匀声子晶体中的传播。首先使用皮亚诺方程给出了SH波在特定非均匀梯度介质声场的传输矩阵。然后使用传输矩阵和布洛赫定律给出了该声子晶体的禁带结构和传输系数。通过具体计算,发现这种非均匀性能明显影响声子晶体的频散曲线和禁带结构。然后比较了幂指数取不同值时,禁带结构与归一化频率和填充比的关系。发现幂指数不同,声子晶体的禁带不同。     

基于人工神经网络的声子晶体逆向设计

声子晶体是一种人工周期性复合材料, 其带隙特性使其在减振、隔声、滤波和声学功能器件等领域具有潜在的应用价值. 如何准确操纵声波和机械波是声子晶体设计的主要挑战. 现有设计方法是基于对结构几何参数与材料参数的分析调整使其匹配特定的应用特性, 设计效率不高且无法达到最佳性能. 为此, 本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题. 首先, 随机生成大量声子晶体拓扑结构样本; 然后, 采用有限元法进行并行计算得到所有样本的带隙分布; 接着, 通过神经网络建立带隙分布和拓扑结构之间的映射关系; 最后, 利用训练好的神经网络设计具有目标带隙特性的声子晶体, 即以目标带隙作为神经网络的输入, 网络将直接输出对应的声子晶体单元胞元拓扑结构. 算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.      

一维声子晶体中声波能带的解析研究

为了对一维声子晶体的能带进行解析研究,采用一维声子晶体的色散法,推导出一维声子晶体禁带频率和通带频率的解析公式;并利用此式对一维声子晶体的能带结构进行了解析研究,得到了禁带和导带的频率中心、频率宽度分别随介质厚度和声阻抗两者的变化规律,并与转移矩阵方法的计算结果进行了比较.研究结果表明:两种方法得到的结论相同,但解析法能更准确、更深刻地反映出一维声子晶体的能带随介质厚度和声阻抗等因素的变化规律;并且解析法克服了转移矩阵法等其他方法不能对能带结构进行解析研究的不足,是一种研究一维声子晶体能带更有效的方法.     

一维声子晶体带隙的非局部辛分析

周期性弹性复合结构(声子晶体)中传播的弹性波存在特殊的色散关系:弹性波只能在某段频率范围内无损耗的传播,该频率范围称为通带.一维声子晶体的色散问题可以看作分层介质中弹性波的传播问题,利用二维弹性理论予以分析.为了研究非局部效应对声子晶体带隙特性的影响,将Eringen的二维非局部弹性理论引入到Hamilton体系下,利用精细积分与扩展的Wittrick Williams算法可获取任意频率范围内的本征解.通过对不同算例的数值计算,分析和对比了非局部理论方法与传统局部理论方法的差别.并进一步指出了该套算法的适用性和优势所在.     

以Lanczos向量直接叠加法确定圆拱顶屋盖风致响应

提出以Lanczos向量直接叠加法确定大跨屋盖结构的风致响应。传统的模态叠加法中无法保证精确计算的特征向量一定能够参与动态响应。与传统模态叠加法不同,在生成正交的Lanczos向量算法中只产生在荷载展开式中有较大参与系数的向量,并用于后续的模态叠加法之中。产生第一个Lanczos向量的空间向量来自于屋盖风压场的本征正交分解(POD)。利用同步多点压力扫描技术对一个圆拱顶屋盖进行了风洞试验。利用所提出的方法分析了屋盖风致响应,并与传统方法以及采用平均风荷载作为空间向量的Lanczos向量直接叠加法进行了比较,说明了本文方法的有效性。     

块Lanczos法在大跨屋盖风致响应中的应用

提出块Lanczos向量直接叠加法分析大跨屋盖结构的风致响应.将适用于单个初始荷载向量的Lanczos方法推广到由多个初始荷载向量线性组合的一般动力荷载情况.由于不仅Lanczos块内的向量之间相互正交,而且Lanczos块之间也相互正交,屋盖结构的运动方程变换为块三对角矩阵的带状形式.这个途径不仅便于有效地应用时间域逐步积分解法,而且便于应用频率域解法.对脉动风荷载作用下的屋盖结构,多个初始荷载向量可应用本征正交分解得到.它将风压场分解为主坐标与协方差模态的组合,主坐标仅依赖时间而协方差模态仅依赖空间位置.根据圆拱顶屋盖模型风洞试验得到的风荷载,采用块Lanczos法、一般的Lanczos法以及传统的模态叠加法计算了屋盖竖向位移响应.对块Lanczos法的精度及效率作了讨论.     

方形固-液声子晶体的全反射隧穿及其多通道滤波

为了研究一维固-液结构方形声子晶体中弹性波的全反射隧穿效应,利用传输矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维固-液结构方形声子晶体的透射率。在透射波中发现了全反射隧穿效应,并且全反射隧穿峰具有优良的多通道滤波特性。得出了一维固-液结构声子晶体的全反射隧穿的滤波特性随周期数、模式量子数、边长的变化规律。为设计性能优良的多通道声子晶体滤波器提供了理论依据。     

追踪再正交Lanczos算法及其在SAP5程序中的实现

本文提出了适于求解大型复杂结构部分固有频率及其相应振型的追踪再正交Lanczos算法。该算法采用追踪再正交判定准则和截断Lanczos收敛性判定准则,从而减少了运算次数,提高了求解效率。数值结果表明,该算法与子空间迭代法相比收敛快、计算量小,是求解大型稀疏实对称矩阵特征值问题的有效算法。     

结构模态分析的有限元并行模拟

以子结构模态综合分析为基础,提出一种求解大型结构特征值问题的并行解法．采用子结构模态综合算法,结构特征模态采用子空间迭代方式并行求解．这种子空间迭代法的子结构并行计算的实施是利用子结构的刚度阵和质量阵而不必完全组集系统刚度阵和质量阵求解综合系统的特征值问题．数值结果表明这种求解大型结构特征值问题的并行算法是可行有效的．     

基于多重多级子结构声子能带与传输特性分析

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.      

BAND STRUCTURE AND TRANSMISSION CHARACTERISTICS CALCULATION OF PHONONIC CRYSTALS BASED ON MULTI-LEVEL SUBSTRUCTURE TECHNIQUE

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.     

Complete band gaps in two-dimensional piezoelectric phononic crystals with {1–3} connectivity family

In this paper, we present results of full band structures for two-dimensional piezoelectric phononic crystals with {1–3} connectivity family. The plane-wave-expansion (PWE) method is applied to the theoretical derivation of secular equations of the two polarization modes: a transverse polarization mode and a mixed (longitudinal-transverse) polarization mode. And the band structures of the two modes for both the case of piezoelectric rods embedded in a polymer matrix and the case of polymer rods embedded in a piezoelectric matrix are calculated for two different cross-sections of the rods, i.e., circular and square, considering the practical fabrication of phononic crystals. We reveal the existence of several very large complete band gaps in a material of practical interest such as PZT rods reinforced polythene composite. The effects of shapes and filling fraction of the rods on band gaps are discussed in detail. The existence of these gaps in relation to the physical parameters of the constituent materials involved is studied. Understanding the band structures of piezoelectric phononic crystals can give some information for improvements in the design of acoustic transducers.     

特征向量导数计算的Lanczos方法

本文对特征向量导数计算的Ｌａｎｃｚｏｓ法进行了改进，指出Ｌａｎｃｚｏｓ法对方程的缩阶效率取决于初始向量的选择，介绍了Ｌａｎｃｚｏｓ方法的发展，提出采用频率移位法选择初始Ｌａｎｃｚｏｓ向量。通过理论分析及计算机仿真说明移位Ｌａｎｃｚｏｓ方法可以将较大的方程组缩为一阶方程，在计算精度与效率上大大优于任选向量Ｌａｎｃｚｏｓ法和迭代Ｌａｎｃ－ｚｏｓ法     

大型非比例阻尼线性系统的地震反应复振型分析方法

对于大型非比例阻尼线性系统,当采用基于复振型的振型叠加方法进行动力反应分析时,按照通用算法(例如雅克比法)求解结构全部振型向量的计算工作量很大,甚至是不现实的.本文将经典阻尼系统中行之有效的Lanczos法和子空同迭代法加以推广和改进,给出了一组可对原来的方程进行自由度缩减的实向量基,然后与Foss变换相结合,得到一组实用的复向量基,使之适用于求解复杂非比例阻尼线性系统的任意低阶复振型和相应的复特征值,适用于任意扰力作用下的动力反应分析.理论推导和实例计算表明,本文所给出的复向量基概念清晰,计算效率高,能够适应对具有非比例阻尼特性的大型复杂结构进行动力分析的实际需要,其中包括地震作用下的时程分析和反应谱振型叠加分析.     

Inexact Newton method via Lanczos decomposed technique for solving box-constrained nonlinear systems

This paper proposes an inexact Newton method via the Lanczos decomposed technique for solving the box-constrained nonlinear systems. An iterative direction is obtained by solving an affine scaling quadratic model with the Lanczos decomposed technique. By using the interior backtracking line search technique, an acceptable trial step length is found along this direction. The global convergence and the fast local convergence rate of the proposed algorithm are established under some reasonable conditions. Furthermore, the results of the numerical experiments show the effectiveness of the pro- posed algorithm.