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。     

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。     

桁架结构几何大变形分析的精确方法

以往对桁架结构的大变形非线性分析,都是应用最小势能原理建立关于节点位移的非线性联立平衡方程,求解的工作量大,尤其对多自由度的大型复杂桁架更为突出.为了克服这个困难,本文采用两步交替迭代线性逐步逼近法,使平衡状态与变形状态协调统一,建立并求出变形后的平衡方程及其解.第一步,由已知杆件内力建立计算节点位移的连续方程并求解;第二步,由已知节点位移建立计算杆件内力的平衡方程并求解.通过多次迭代求得平衡状态与变形状态协调统一的非线性大变形分析的精确解.若干例题计算证明,本法是有效、精确的.尤其是对几何大变形桁架结构的优化设计,可将结构分析的迭代过程与优化过程相结合,省去了多次结构重分析的迭代过程,只在一次结构分析的迭代过程中即可完成优化设计,大大节省了时间.本法对扁桁架尤其有用.     

康托洛维奇-里茨杂交法及其应用

本文将Kantorovich法与Ritz法进行适当组合,吸收了二者的主要优点,提出了康托洛维奇法的一种改进方法.以二维问题为例,Kantorovich法在一个方向(例如y方向)的分布完全预先选定,这含有很大的主观任意性,因而限制了近似解的精度,改进法则在y方向仿Ritz法改进为一个含有若干个自由参数的分布函数,由于增加了近似解的自由度,故可改善解的精度.对Kantorovich法的另一改进是在计算高阶近似解时,通过逐项求解待定函数避免了求解更高阶微分方程或含更多方程的方程组,减少了计算量,降低了计算难度.用改进法求解了固体力学里的矩形截面柱体扭转问题和四边固支矩形板的弯曲问题,通过算例充分说明了此方法的特点和优越性.     

基于双边Lanczos算法的声子晶体复模态重分析

针对声子晶体拓扑结构修改时模态计算效率低的问题,提出基于双边Lanczos算法的复模态重分析。与全分析不同,本方法利用声子晶体原始结构的模态分析结果,通过双边Lanczos算法构建投影向量矩阵,将广义特征值方程映射进子空间来压缩矩阵规模,求解方程后再利用近似模态关系得到最终解。通过对尺寸和形状发生修改的声子晶体进行分析,验证了方法所求结果具有高精度,与全分析相比缩减了约35%的计算时间,在处理拓扑修改变化量大和计算规模大的声子晶体模态分析问题上有很大潜力。     

结构静态拓扑重分析的迭代组合近似方法

提出一种拓扑修改的静态重分析的迭代组合近似方法. 这种方法基本上是两步法. 首先，将新增加的自由度通过Guyan缩减方法凝聚到原始自由度上，形成凝聚方程. 其次， 用迭代组合近似方法求出原始自由度的近似位移，从而求出原结构自由度的位移. 新增加自 由度的位移可以通过恢复得到. 通过板结构的加筋布局优化设计的数值例子表明， 该方法对拓扑修改较大时仍可得到满意的结果.     

半无限板边缘裂纹的权函数解法与评价

权函数法是求解裂纹体在任意受载条件下的应力强度因子和裂纹面位移等断裂力学参量的高效、高精度方法,与有限元等数值方法相比,在求解效率和可靠性方面均具有明显优势.针对半无限板边缘裂纹,系统分析了在国际断裂力学界较有代表性的Wu-Carlsson、Glinka-Shen和Fett-Munz三种解析形式的权函数法,进而以在远端均匀加载下的半无限板边缘裂纹面位移Wigglesworth解析解导得的权函数及其对应的格林函数解(即裂纹面受一对单位集中力作用下的应力强度因子)为基准,沿整个裂纹长度对3种权函数的精度逐点进行比较,并与文献中基于其他方法求得的权函数做了广泛对比,包括Bueckner,Hartranft-Sih以及Wigglesworth利用不同解析方法推导出的高精度的权函数.研究了3种参考载荷(均布/正反向线性分布应力、集中力)及其不同组合,以及裂纹嘴位移的几何条件对权函数精度的影响.结果表明,基于一种参考载荷下的裂纹面张开位移比基于两种参考载荷下的应力强度因子所得到的权函数具有更高的精度,而且后一种方法的精度明显受到所选参考载荷组合的影响;裂纹面位移在裂纹嘴处三阶导数等于零的条件对基于一个参考解的权函数精度的改进效果较小.最后给出了利用各种权函数方法计算得到的4种载荷条件下的应力强度因子,并对结果进行了比较.     

结构动力问题的高精度组合差分时程积分法

基于Taylor级数展开得到位移和加速度的中心差分格式,并结合速度的后差分格式,构造了一种求解结构动力问题的组合差分格式的时程积分算法,该算法为自起步的两步高精度算法。通过求解递推格式的传递矩阵及其特征值,对该算法的稳定性和精度进行了理论分析,结果表明,本文提出的算法虽属条件稳定,但其精度极高,具有周期延长率小、没有振幅衰减等优点。数值分析结果也证明本文提出的算法具有较高精度。     

基于灰色模型和改进粒子滤波的无人机视觉/INS导航算法

为了提高无人机视觉/INS组合导航系统的位姿估计精度,提出了一种基于灰色模型和改进粒子滤波的无人机视觉/INS导航算法。首先,针对视觉传感器数据易受外界因素干扰的问题,利用灰色预测理论建立基于视觉的位姿解算数据灰色模型,减小视觉解算数据误差对导航精度的不利影响;然后,引入萤火虫算法改进粒子滤波的重采样过程,并采用改进后的粒子滤波算法实现并提升视觉/INS组合导航系统的位姿解算精度。最后,自主搭建了四旋翼无人机实验平台。实验结果表明,采用扩展KF滤波的无人机组合导航算法将位姿估计的误差控制在3.2 cm内,所设计算法可以将误差控制在2.3 cm内,无人机位姿估计精度水平提高了39%。     

基于设计空间调整的结构拓扑优化方法

提出了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化方法,以求解有限元网格规模大的问题,且获得0/1拓扑解. 首先, 借鉴有理分式材料模型, 建立了材料刚度性质与拓扑变量的关系. 为了解决分析计算量大和需要解释得到的材料分布等问题,给出了一种不影响数学规划求解算法收敛特性的设计空间调整手段. 其次,当优化迭代求解接近结构最佳拓扑邻域后,采用了加速收敛求解的策略,并给出了一种加速收敛的启发式算法. 然后, 结合基于倒设计变量的位移函数的非完整二阶近似式,建立了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化算法. 该方法能获得较好0--1分布特征的优化拓扑,能较好地处理多载荷和多约束的结构拓扑优化问题. 给出的算例表明通过结构分析模型规模的减小和传统的位移迭代求解法的采用,方法效率明显提高. 算例验证了该方法的正确性和有效性.      

一种精确结构静力重分析法

本文提出了一种结构静力重分析方法。通过引入结构刚体位移特征向量，可以导出结构广义柔度矩阵，原阶数较高的刚度方程被转化成一阶数较小的线性系统，位移一般解可以在边界条件尚未引入结构刚度矩阵之前导出，对于有局部变化的结构，新的结构广义柔度矩阵可以迅速进行修改。这种静力重分析可以用在载荷条件、边界条件、结构单元同时或分别改变时的静力分析之中，文中提供了两个算例，以证明此方法的有效性     

结构参数大修改时的特征值重分析方法

就结构参数发生大修改的情况提出了两种高精度的特征值重分析方法：Ｐａｄｅ　逼近法和推广的Ｋｉｒｓｃｈ混合法．利用这两种方法,计算了一个具有２０２个结点,３５７个梁单元的平面框架的近似特征值．计算结果表明,所提出的方法是结构参数修改时的特征值重分析的有效方法．     

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。     

结构边界约束修改后的重分析方法

在结构设计优化中经常将结构边界约束作为设计优化对象,结构边界约束的修改通常导致系统的求解规模发生改变,使得快速准确分析修改后结构的响应成为一个挑战。本文发展了逐次矩阵逆(SMI)方法,提出了一种适合各种结构边界约束(包括初始结构中的约束)修改的快速重分析算法。该方法利用边界约束修改后对应刚度矩阵的对称性,有效缩减了计算量。数值算例表明,本文方法能够快速给出精确的重分析结果。     

Static reanalysis for topological modifications of structures

A procedure for reanalysis of various structures subjected to various topological modifications is presented. The procedure is based on the results of a single exact analysis and the factorization of the stiffness matrix of initial structures. It is suitable for the case of addition of joints, where the number of the degrees of freedom is increased. The method deals with the stiffness matrix of structures directly, so it can be used with a general finite element system. It is shown that the proposed approximation method is most effective in terms of accuracy, efficiency, and ease of implementation.     

结构静态拓扑重分析的摄动-Pade逼近法

提出一种拓扑修改的静态重分析的方法．该方法将所有新增加的自由度分步、逐次得增加到原结构上．在每一子步中利用过渡矩阵得到摄动基，并对摄动基进行正交化处理来进行Pade逼近，得到的近似解作为下一子步的原始解．循环结束时得到修改结构的近似解．     

PARALLEL COMPUTING FOR STATIC RESPONSE ANALYSIS OF STRUCTURES WITH UNCERTAIN-BUT-BOUNDED PARAMETERS

The vertex solution for estimation on the static displacement bounds of structures with uncertain-but-bounded parameters is studied in this paper. For the linear static problem, when there are uncertain interval parameters in the stiffness matrix and the vector of applied forces, the static response may be an interval. Based on the interval operations, the interval solution obtained by the vertex solution is more accurate and more credible than other methods （such as the perturbation method）. However, the vertex solution method by traditional serial computing usually needs large computational efforts, especially for large structures. In order to avoid its disadvantages of large calculation and much runtime, its parallel computing which can be used in large-scale computing is presented in this paper. Two kinds of parallel computing algorithms are proposed based on the vertex solution. The parallel computing will solve many interval problems which cannot be resolved by traditional interval analysis methods.     

An adaptive reanalysis method for genetic algorithm with application to fast truss optimization

Although the genetic algorithm （GA） for structural optimization is very robust, it is very computationally intensive and hence slower than optimality criteria and mathematical programming methods. To speed up the design process, the authors present an adaptive reanalysis method for GA and its applications in the optimal design of trusses. This reanalysis technique is primarily derived from the Kirsch＇s combined approximations method. An iteration scheme is adopted to adaptively determine the number of basis vectors at every generation. In order to illustrate this method, three classical examples of optimal truss design are used to validate the proposed reanalysis-based design procedure. The presented numerical results demonstrate that the adaptive reanalysis technique affects very slightly the accuracy of the optimal solutions and does accelerate the design process, especially for large-scale structures.