弹性薄板结构的等效激励谱反演问题研究

在声纳基阵腔内机械自噪声预报问题的研究中,确定平台区激励一直是个难题,考虑振源设备激励向声纳部位传播过程的复杂性,通过测量平台区振动响应对其外部激励情况进行估算是最具可行性的一种方法。本文根据弹性薄板结构的振动模态理论和简支边矩形薄板的Navier解法,详细探讨了在外部激励的分布状态未知或难以确定的情况下,基于响应相似原则进行等效激励虚拟假设,利用实测板壳结构振动响应和模态参数对等效激励进行反演计算的一般原理方法,分别用解析法和有限元法对等效激励估计实验方案中影响结果可靠性的主要因素进行了分析论证。结果表明,等效激励法是一种适用于激励作用位置缺失情况下,可靠的便于工程应用的环境激励反演评估方法。     

船舶振动声学优化设计中设备运动激励的等效反演力方法

当设备振动载荷以运动激励形式给出时,常采用大质量法或直接加速度法进行结构动力响应分析。但基于这两种方法的动力学模型无法用于船舶振动模态分析以及振动声学优化设计迭代过程中的动力学重分析。本文基于动力设备内源激振力的不变性,提出等效反演力法,将设备运动激励转换为设备等效内源力载荷,用于船舶水下辐射噪声的预报以及结构声学优化设计。以某舱段为例,对比分析了不同加载方法对应的动力学模型的固有频率与水下辐射噪声声功率,实测水声声功率为92.33 dB,基于等效反演力法输入的水声声功率数值计算结果为93.84 dB,两者相差1.51 dB。研究表明,等效反演力法是在振源设备载荷以运动激励给定时计算水下辐射噪声并用于声学优化设计的优选方法。     

流固耦合的周期加强板的振动及声辐射研究

研究了流体负载下的无穷大双周期加强板, 在周期谐振力作用下的振动响应和声辐射,并提出了一种基于有限元和空间波数法的半解析半数值方法. 首先利用有限元的方法对周期结构进行单元离散, 并将结构对薄板的作用力等效为节点力的作用. 然后通过周期结构的振动方程, 结合薄板与结构的位移边界条件, 建立了节点力与薄板节点位移的函数方程. 最后应用空间波数法和傅里叶变换, 并采用数值计算的方法求解出薄板的节点位移, 得到了周期加强板关于离散节点位移的振动和辐射声压方程. 在数值算例中, 对该方法的正确性进行了验证, 并且分析了周期结构对薄板的振动和声辐射的影响.     

考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。     

基于虚拟激励法的结构随机振动声辐射分析

本文基于有限元法、边界元法和虚拟激励法，对随机激励下结构振动声辐射问题进行研究。提出了一种计算随机激励下结构振动声辐射问题的新方法，其中，有限元法用于计算结构谐振响应，边界元法用于计算结构振动声辐射，虚拟激励法结合有限元和边界元计算随机激励下结构振动声辐射问题。 数值算例表明，本文方法在计算精度上与传统方法等价，且更具高效性。     

纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性

纵向参数激励下液体晃动稳定性是航天器动力学中一个广受关注的问题,然而在以往的研究中没有考虑液体晃动与航天器运动之间的耦合作用对系统参数振动稳定性的影响. 建立了用液体晃动等效单摆模型描述的纵向激励下平动刚-液耦合系统的Mathieu方程,采用摄动法确定了耦合系统1/2亚谐波振动和谐波振动的激励幅-频稳定性边界. 研究发现,液体晃动与主刚体横向运动的耦合作用扩大了参数振动不稳定区, 并使其向高频移动,影响的程度随等效晃动质量的减小而减小;液体晃动模态阻尼对1/2亚谐波振动不稳定区的缩小作用远弱于对谐波振动不稳定区的缩小作用. 对耦合系统第1阶液体晃动模态1/2亚谐波振动响应的研究表明:当纵向激励参数在不稳定区内时,可能引起主刚体的纵横耦合振动现象.      

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

一种中高频激励下动力系统响应的级数展开改进算法

针对频率响应函数的级数展开法在中高频激励时计算发散的问题,提出一种新的级数展开改进算法.将系统的结构模态划分为低阶和截断的高阶模态,在模态叠加分析的基础上,将频率响应函数进行泰勒级数展开.根据高低阶模态对质量矩阵和刚度矩阵的耦合特性,用低阶模态及系统矩阵表达高阶模态对响应的影响.研究结果表明,该算法将频率响应函数的级数展开法扩展到高频激励和中频激励范围阶段,在非完备模态条件下提高了频率响应函数的计算精度,数值计算检验了该方法准确可靠并有很好的收敛性.     

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

有间隙折叠舵面的振动实验与非线性建模研究

针对折叠舵面内、外舵铰接处存在的间隙对地面振动响应的影响及间隙处的非线性建模方法展开研究.消除间隙,利用锤击法对线性折叠舵面进行模态实验,得到了前五阶模态参数;打开间隙,进行振动台扫频基础激励,实验结果表明间隙的存在会使结构的动力学响应产生非线性现象,如正反向扫描差异、跳跃、多谐波及频率漂移.非线性的影响主要体现在一阶弯曲模态上,激励量级的增大和间隙的减小均会使基频增大,且逐渐趋向于无间隙的结果,但对第二阶扭转模态的影响与第一阶相比较小.建立了折叠舵面的有限元模型. 提出了一种适用于具有集中非线性的折叠机构的模型缩减方法,并对舵面进行了模态缩减.根据Hertz接触理论,用具有线性和3/2次刚度组合形式的非线性扭转弹簧来模拟铰接处的间隙和接触.通过比较锤击实验与数值计算得到的前四阶频率和振型对模型的线性部分进行验证.通过Bathe两子步隐式复合算法计算基础激励下非线性结构的动力学响应,得到的传递函数可以模拟实验中出现的频率变化特征,验证了连接处非线性建模方法的合理性.      

桥梁滞变非线性随机地震响应分析

对于含有滞迟剪切型单元的复杂多自由度系统,采用Bouc—Wen微分方程模型描述非线性抗力构件的滞变特性。以虚拟激励法代替常规的Lyapunov方程法结合等效线性化技术对平稳随机激励下系统的动力响应进行求解,激励谱可为白谱或其他任意形式。不但计算效率高,而且不引入除等效线性化之外的附加误差。对不同周期单自由度体系以数值模拟法验证了算法精度。在此基础上,对一座四跨桥进行了线性／非线性分析对比,得到合理的结果。     

行波效应下结构非平稳随机地震峰值响应分析

地震运动在本质上是非平稳随机过程。对于一个典型的地震记录,如果地震平稳段持续时间较短,采用非平稳随机过程描述其地震动特性较为合理。目前被最广泛接受的地震非平稳随机振动模型是演变随机激励模型。本文将虚拟激励法和精细积分法相结合,高精度计算了结构在这种随机地震激励下的时变均方根响应,并等效转化为相应的平稳随机过程后进行结构峰值响应计算。不仅考虑了激励的非平稳性,同时高效精确地考虑了结构的动力特性和地震行波效应。能够方便地应用于大型复杂结构,特别是为大跨度桥梁抗震分析提供了高效的计算手段。实际结构算例表明平稳假设会得到偏于保守的结果。当阻尼比较小时,这种差别会更明显。采用非平稳激励模型,显然更为合理;采用本文提出的方法可以很方便地处理这类问题。     

Sub-critical excitations of SDOF elasto-plastic systems

The critical excitation of a dynamical system is defined as the excitation that drives the system from one state to another with minimum energy. It plays an important role in both deterministic and stochastic problems of vibrations. For linear-elastic systems it can be directly obtained by calculus of variation, but the approach is not applicable to general non-linear-hysteretic systems. For single-degree-of-freedom (SDOF) elasto-plastic systems, the critical excitation has been found recently using a time-domain parameterization scheme, which also suggested the existence of ‘sub-critical excitations’ stemming from the local optima of the associated optimization problem. This paper presents a study of the sub-critical excitations based on the theoretical background laid out in the previous work. The sub-critical excitations are investigated in terms of their time-domain characteristics, energy, abundance and distribution. It is found that sub-critical excitations exist in abundance and their number grows in a combinatorial manner with the target duration. When mapped on a polar plot relative to the critical excitation, their distribution exhibits structures of progressively fine scale as the target duration increases.     

线性随机结构的平稳随机响应

对于不仅结构参数具有随机性,而且外载是平稳随机激励的问题,给出了随机响应变异系数的计算方法。应用虚拟激励法先将随机荷载转化为确定性的简谐荷载,使双随机问题得以精确地转化为单随机问题进行分析。求解过程显著简化,而且包含了二种随机因素之间的耦合效应。用数值模拟法对方法的精度作了估计。     

端部激励相位差下斜拉索的非线性振动

斜拉桥中拉索承受着多种端部激励,可激发大幅空间振动．以斜拉索为对象,探究不同端部激励间相位差对其非线性振动的影响．首先,推导斜拉索无量纲离散控制方程,引入考虑相位的三向端部激励得到一般化模型;然后,针对拉索下端存在的纵桥向、竖向和横桥向激励的两两组合,受大幅或小幅激励,及其在主共振区或主参数共振区几组因素,共计12种工况,采用数值分析法分别研究了各工况下不同激励相位差时的斜拉索稳态响应．研究发现：激励相位差能加剧与激励频率相近的面内、外模态振动;在任意端部激励组合下,激励相位差不仅可使斜拉索非线性振动出现定量变化,还可改变内共振的表现形式．面内、外激励组合下,相位差对拉索响应幅值的影响以π为周期变化,且当相位差趋于π/2 + kπ (k = 0, 1, 2…)时影响最为突出;而面内激励组合下,以2π为变化周期,当相位差为π + 2kπ (k = 0, 1, 2, …)时其对稳态幅值的影响最显著．其原因是：面外激励关于拉索所在的竖直面对称,故其本质上以π为周期;而面内激励无此对称性,仍以2π为周期．因此,有无面外激励参与决定了激励间相位差对斜拉索响应的影响规律．     

多自由度系统自然激励技术的统一模型

结构运行状态下的模态参数提取是结构健康监测系统需要解决的关键问题之一.自然激励技术的提出为大型复杂工程结构运行状态下的模态参数提取提供了一条新的途径.原始自然激励技术给出了单输入白噪声激励下利用结构位移响应的互相关函数进行模态识别的理论模型,对于多输入情况则缺乏相应的理论模型.本文在单输入理论模型的基础上进一步发展了自然激励技术:推导了多输入独立白噪声激励下多自由度系统结构位移响应的互相关函数的解析公式,并分析了它与单输入情况下互相关函数之间的关系;基于此互相关函数定义了一个新函数,证明它含有结构各阶模态信息,可以表达为一系列衰减正弦函数之和,并且各个组分正弦函数的频率等于各阶模态的有阻尼固有圆频率;提出了以新函数为核心的同时适用于单输入和多输入情况的模态识别算法,建立了自然激励技术的统一模型.     

线性随机结构的非平稳随机响应变异性分析

对于具有随机参数的结构受到非平稳随机激励的问题，给出了结构随机响应变异系数的虚拟激励摄动算法。它应用虚拟激励法先将随机荷载转化为确定性荷载，以使随机问题精确地转化为仅结构参数具有随机性的问题，从而将问题归结为应用随机摄动法求解单随机问题。求解过程简单高效，且有较高的精度。     

Numerical simulations of jump phenomena in stable Duffing systems

In this paper the jump phenomena in quasilinear Duffing systems under sinusoidal and narrow band random excitations are examined by numerical simulations. The simulation results for sinusoidal excitations agree very well with analytical solutions obtained by the equivalent linearization method. The results showing the sensitivity of the periodic responses to the initial conditions are believed to be the first published in the literature. The simulation results for narrow band random excitations confirm that multi-level mean square responses can occur for mono-level excitations, but only for very narrow bandwidth excitations. The multi-level random responses are also sensitive to initial conditions. As the bandwidth of the excitation broadens, the multi-level responses merge into a single level one.     

Analytical parametric study of bi-linear hysteretic model of dry friction under harmonic,impulse and random excitations

Hysteretic behavior due to some nonlinear sources is a common phenomenon in many dynamical systems. One of the sources of this behavior in mechanical systems is dry friction. Dry friction in bolted or riveted joints of mechanical structures makes their dynamic behavior hysteretic. Bi-linear hysteresis is one of the models that can be used to study these systems which is used in this paper. A SDOF system containing a bi-linear hysteretic element called Jenkins element under harmonic, impulse and random excitations is considered. For all three types of excitations, the effects of system and excitation parameters on the defined equivalent system parameters and the response specifications are studied. Harmonic balance method is employed for harmonic excitation studies, and optimum friction threshold for minimizing response amplitude is obtained versus other system parameters and response amplitude. Energy balance method is used for impulse excitation through which the desired decaying ratio can be achieved by tuning the friction threshold, depending on stiffness ratio. System under random excitation is investigated by equivalent linearization technique in two steps. At the first step, equivalent properties are obtained versus instantaneous amplitude of response. In this step, the paper contains the parametric study of system in which the variations of equivalent parameters are described when physical parameters of system or input intensity vary. Overall variance of system response is determined in the second step, and optimum sliding threshold is obtained to have minimum overall variance of system response.     

Stochastic sensitivity analysis of coupled acoustic-structural systems under non-stationary random excitations

This paper presents a new sensitivity analysis method for coupled acoustic–structural systems subjected to non-stationary random excitations. The integral of the response power spectrum density (PSD) of the coupled system is taken as the objective function. The thickness of each structural element is used as a design variable. A time-domain algorithm integrating the pseudo excitation method (PEM), direct differentiation method (DDM) and high precision direct (HPD) integration method is proposed for the sensitivity analysis of the objective function with respect to design variables. Firstly, the PEM is adopted to transform the sensitivity analysis under non-stationary random excitations into the sensitivity analysis under pseudo transient excitations. Then, the sensitivity analysis equation of the coupled system under pseudo transient excitations is derived based on the DDM. Moreover, the HPD integration method is used to efficiently solve the sensitivity analysis equation under pseudo transient excitations in a reduced-order modal space. Numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed method.