多自由度系统复模态理论的摄动方法——(一)一阶摄动

除了阻尼矩阵满足一定条件外,有阻尼多自由度线性系统运动方程,在一般情况下不能通过实模态变换而解耦。因此,许多情况下工程结构动力分析需要寻求系统的复模态和复特征值,为此如Foss.Frazy and Bishop等提出的惯用方法又太复杂和不经济。本文采用基于实模态理论的摄动方法,耒求解系统的复模态和复特征值,考虑到阻尼力比惯性力和弹性恢复力要小是符合工程实际的,把系统的模态和特征值按不同的量级展成级数,从而建立起各阶渐近方程,其零阶方程对应于无阻尼系统可按实模态理论求解,如果需要,可按高阶方程逐次求解得到复模态和复特征值各阶渐近修正。本方法不仅计算方便而且经济,其结果易于从零阶和一阶近似中得到复模态和复特征值,对于自由振动运动方程同样可以解耦。利用已得到的一阶复模态的结果,讨论了自由振动和强迫振动问题。文末给出了算例以说明本方法的计算精度。     

任意非亏损系统特征灵敏度分析的直接摄动法

本文发展了一种任意非亏损系统特征灵敏度分析的二阶段摄动法，将未摄动的问题的解作为零阶近似，把摄动影响作为摄动后问题的高阶修正，经过严格的数学推导，得到了支配高阶修正量的完全方程组。本方法无损知道摄问题的全部特征向量，仅需知被摄模态的特征对。本方法可处理被摄问题具有重特征值，甚至具有等导重特征值这一高度退化极难处理的情况。算例显示了本方法的正确性。     

多自由度系统复模态理论的摄动方法 (三)非对称系统复特征值问题的摄动迭代法

基于实模态理论和相应特征值计算方法,本文在位形空间中用摄动方法求解非对称系统的复特征值和复模态。为提高精度,增加了一个迭代格式。最后给出算例并讨论了计算精度和收敛性。     

求解非比例阻尼体系复模态的实模态摄动法

根据工程结构的实际情况,建立了非比例阻尼结构体系复模态特性的近似求解方 法------实模态摄动法. 这一方法以复Ritz向量展开原理为基础, 把非比例阻尼结构体系复模态特性的分析过程分解为两个基本步骤,首先以结构体系的实模 态向量构建复Ritz向量的求解子空间,然后通过非线性复代数方程组的求解代替扩阶后的复 特征值方程的求解,从而简化了计算过程.通过两个算例表明: 这一方法不仅计算简便，而且具有较高的计算精度和执行效率, 对于复杂的非比例阻尼系统是很适用的，具有一定的工程应用价值.     

矩阵摄动法在汽车车架模态分析中的应用

本文采用以模态迭加原理为基础的实模态分析技术及初参数优选法对汽车车架的模态参数进行了识别,讨论了振动特征值问题中关于非重特征值和重特征值的矩阵摄动法,提出了利用有弹性元件悬挂的结构振动测试数据来得到自由——自由结构的模态参数的摄动修正方法.文中还给出了一些数值例子来说明此方法的应用,同时得到了一些重要结论.     

局部裂纹损伤简支梁的曲率模态特性

将裂缝损伤简化成矩形凹槽,采用delta函数表示简支梁的裂纹损伤位置,得到了全梁范围内截面转动惯量和单位长度质量的表达式,建立了局部裂缝损伤简支梁的横向自由振动方程.利用摄动方法给出了裂纹摄动项的一般表达式,根据摄动项和完整梁都同时满足边界条件的特点,将一阶和二阶摄动项都表示成完整梁模态的线性组合,结合delta函数的性质,最终获得了受损简支梁的特征值和模态振型的解析表达式.最后,通过数值计算得到结构模态参数,对比了一阶摄动和二阶摄动对计算结果的影响,分析了不同阶固有频率和模态曲率的变动量,为简支梁的损伤监控和检测提供了理论依据.     

基于奇异值分解的复模态矩阵摄动法

对非自伴随系统的振动重分析问题,提出了一种简单的通用方法。从子空间缩聚出发,基于复矩阵的奇异值分解定理,推导了同时适用于孤立 特征值,相重特征值和相近特征值三种复特征值情况的一阶和二阶摄动公式。算例表明,该方法通用性好,且具有足够的精度。     

计算特征向量摄动量的混合基展开法

在结构修改和模型校正中，模态展开法是计算特征向量摄动量的常用方法之一，但当高阶模态被截断时，它会带来很大的截断误差。本文利用已知的有限阶模态，构造了Ｎ维欧氏空间的一个新基－混合基，并将特征向量的摄动量在新基上展开来计算特征向量的一、二阶 摄动量。该方法使得不管截模态个数的多少，其精度总与全模态展开法相同，且计算量都远少于全模记展开法；与改进的部分民开法相比，本方法不要求所截留的模态边连续的低阶模态     

线性哈密顿系统的本征摄动法

利用哈密顿算子辛自共轭的特点讨论了保守哈密顿体系的摄动问题,给出了哈密顿矩阵的本征值与本征向量的二阶摄动分析方法。即当系统在哈密顿框架下进行较小修改时,不重复求解大型哈密顿矩阵的本征问题,只需在原系统的模态参数基础上进行模态分析即可,这种矩阵摄动法给出了修改后矩阵的二阶本征值和本征向量,为一般线性保守体系的本征摄动求解提出了一个新方法。     

基于频率摄动理论对结构健康检测BENCHMARK问题的识别

定义了结构有限元模型中的损伤识别参数,将结构振动特征值摄动和结构有限元理论相结合导出结了构损伤定位以及定量的一阶和二阶摄动识别公式,并给出了两种方程在不适定条件下的优化解法。把该方法用到ASCE结构健康监测工作组提出的Benchmark问题中,成功识别了设定的损伤模式,而且其受模型误差和测量噪声的影响较小。研究表明该方法可以用于大型结构的健康监测问题。     

密集模态摄动的新方法

本文提出了一种密集模态结构系统(M_0,K_0)振动分析的矩阵摄动新方法.它将密集模态结构系统特征解的摄动问题转化为重特征值的摄动问题.文中给出了一个数值例子.     

粘弹性阻尼修改后结构系统动特性的预测

无阻尼或比例阻尼结构系统经粘弹阻尼修改后,可变为粘弹性阻尼系统。要获得其动特性,需求解复特征值问题。但是,随之带来了计算量大、费用高等问题。尤其是粘弹性材料特性随频率而变化,需求解高阶非线性复特征值问题,这对于一个自由度较大的结构,计算量太大,通常较难实现。本文在特征值修改方法的基础上,提出粘弹性阻尼局部动力修改方法,即仅需已知原结构系统的实模态参数,就可求出粘弹阻尼修改后系统的复模态参数。还发展了特征值和修改量同时迭代方法,有效地解决了粘弹材料复模量随频率变化引起的非线性复特征值问题。     

结构动力特性修改的矩阵摄动方法

结构动力特性的修改是结构动态问题研究中的一个重要方面。本文提出了一种计算修改结构动力特性的快速分析方法——矩阵摄动方法,导出了计算任意阶摄动量的求解通式。它可由原结构的实(或复)模态参数和结构参数的修改量快速地求出修改结构的全部实(或复)模态参数并可对修改结构进行响应分析等。文中对阻尼比随结构修改而改变的情况作了充分的考虑。最后例举了一个多自由度梁作为数字例子,并对一实际车床结构作了复摄动分析,分析结果证明了本文方法的正确性并说明了其解决实际问题的有效性。     

考虑轴力二阶效应的损伤梁弯曲摄动解

将损伤梁等效为阶梯型变刚度Euler-Bernoulli梁,利用Heaviside广义函数,给出了阶梯型变刚度梁抗弯刚度的统一表达式．在此基础上,考虑轴向压力二阶效应,并以损伤为摄动参数,得到了均布横向载荷作用下,简支损伤梁弯曲挠度的一阶和二阶摄动解析解,并数值分析了摄动解析解的精度和损伤梁的弯曲变形特性,结果表明：随着轴向压力和刚度损伤参数的增加,挠度一阶和二阶摄动解析解误差增加,挠度二阶摄动解析解误差通常小于其一阶摄动解析解误差,且二阶摄动解的误差很小,满足工程应用的精度．同时,损伤梁的挠度和转角分布与完整梁的挠度和转角分布差异较大,在刚度变化位置处损伤梁转角斜率存在突变．这些结果可为轴力作用下Euler-Bernoulli梁损伤识别提供理论支撑．     

对流扩散方程的摄动有限体积(PFV)方法及讨论

在有限体积(FV)方法的重构近似中,引入数值摄动处理,即把界面数值通量摄动展开成网格间距的幂级数,并利用积分方程自身的性质求出幂级数的系数,同时获得高精度迎风和中心型摄动有限体积(PFV)格式.对标量输运方程给出积分近似为二阶、重构近似为二、三和四阶迎风和中心型PFV格式,这些PFV格式的结构形式及使用基点数与一阶迎风格式完全一致,迎风PFV格式满足对流有界准则;二阶和四阶中心PFV格式对网格Peclet数的任意值均为正型格式,比常用的二阶中心格式优越.用一维标量输运和方腔流动算例说明PFV格式的优良性能,并把PFV方法与性质相近的摄动有限差分(PFD)方法及相关的高精度方法作了对比分析.     

万向支架陀螺与自旋卫星的耦合运动

本文使用相坐标摄动方法讨论万向支架陀螺与自旋卫星的耦合运动,将万向支架的惯性力矩作为对陀螺及卫星的Euler-Poinsot运动的摄动。导出陀螺与卫星的耦合章动漂移公式,周知的Magnus公式是卫星无章动时的特例。文中还讨论了章动同步现象,并导出轴承粘性摩擦引起陀螺与卫星的章动阻尼运动的稳定性判据。     

线性广义特征值问题的摄动迭代法

本文给出了一种适用于迭代计算的矩阵摄动法,它是进行广义特征值问题Ax=λBx的摄动重分析的一种高精度算法,同时也可用于改进由其它矩阵摄动分析方法提供的近似解的精度。实际算例表明,当结构参数修改量不太大时,采用这种摄动迭代法进行特征值问题的精确重分析是十分有效的。     

二类复特征值表达式的适用性研究

对于线性系统，根据其质量、刚度或阻尼等矩阵的性质了解特征值，是十分有意义的问题．对于有阻尼陀螺系统，本文首先通过模态正交性推导了有关矩阵的若干关系式．然后分析了复特征值的两类表达式的适用性，着重讨论了通过一元二次方程研究特征值性质的现行处理方法存在的困难．提出一种确定特征值的补充方法，指出可能存在虚数特征值的系统的性质．算例表明结论正确     

对称角铺设复合材料层合板在横向载荷作用下的摄动解

本文讨论分析了任意对称角铺设复合材料层合板各刚度之间的量级关系,并由此提出了一种求解在横向载荷作用下对称角铺设复合材料板弯曲问题的摄动法。对于四边简支的对称角铺设层合板,文中给出了一个二阶近似的摄动解。     

锅炉给水泵转子动力学参数的一、二阶摄动识别研究

锅炉给水泵的临界转速是非常重要的参数,与结构密切相关。为了准确地计算出给水泵的干临界转速(在空气中)和湿临界转速(在水中),必须知道转轴上的零部件对其弯曲刚度的加强作用。本文利用摄动传递矩阵法,结合实验室的试验数据,对某电站锅炉给水泵转子的动力学参数进行了一阶和二阶摄动识别。给出了给水泵转子上的热装叶轮、轴套对转子刚度产生加强作用的一、二阶摄动识别结果,得到了修正的给水泵转子系统动力学计算模型。由修正模型计算得到的转子系统固有频率与实测的转子系统固有频率吻合良好。指出一阶摄动识别的结果可以满足工程实际的精度要求。