随机振动问题的广义坐标合成法

工程中的随机振动分析多采用完全二次型组合法(CQC)及其改进算法,如虚拟激励法(PEM)和谐波激励法(HEM)。广义坐标合成法(GCS)提出了一种计算随机响应的新思路,其基本原理是将物理空间的计算转移到自由度较小的振型空间进行,从而缩减了计算量和计算规模。对于较大规模结构体系的随机振动问题,GCS方法计算响应协方差矩阵的计算量只相当于PEM的2r/sT,其中s、r和T分别为激励功率谱矩阵的秩、振型总数和离散频率点数。此外,对于给定激励时程的问题,由于GCS方法直接求解广义坐标运动方程,因而可以方便得出响应时程。通过对几种方法的详细对比,说明对于大多数只需要求解响应方差的随机振动问题,GCS是最优的计算方法。PEM只有在s相似文献   

线性随机结构在随机激励下动力响应分析

利用虚拟激励法对随机结构正交展开理论进行扩展,并在Ritz向量子空间中对扩阶系统方程进行动力聚缩,提出了一类可以快速高效地进行线性随机结构复合随机振动分析的计算方法．算例分析表明,该法可以方便地分析随机结构在平稳或非平稳随机激励下的复合随机振动问题,且分析结果与 Monte Carlo模拟分析结果符合良好;与均值参数确定性结构传统随机振动分析计算结果相比,随机结构在相同随机激励下响应自谱密度曲线具有峰值降低、谱宽增大的特点．     

平稳高斯激励下线性结构随机振动分析的辅助简谐激励广义法

相比于时域法,频域法是更为高效、易行的随机振动分析方法,但对于平稳激励下的随机振动分析,现有频域方法常需振型截断或功率谱矩阵分解,将会影响计算精度和效率.为此,本文在频域法的框架下,针对平稳高斯激励下线性结构的随机振动分析提出了一种精确且高效的辅助简谐激励广义法.首先,引入广义脉冲响应函数和广义频响函数的概念,推导了与...     

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。     

分数阶导数阻尼下非线性随机振动结构响应的功率谱密度估计

对于受到由分数阶导数模拟的粘弹性阻尼的非线性随机振动结构,本文给出了一种计算响应的功率谱密度方法。借助标准的随机平均法,首先得到了振动结构随机响应振幅的稳态概率密度。对于原振动结构的非线性项,运用改进的统计线性化方法得到了均方意义下的等价线性振动结构,并求得了其响应的依赖于振幅的条件功率谱密度。综合以上的结果,针对随机振动响应的功率谱密度的估计,通过与数值模拟结果进行验证,从而证明了所提方法的有效性和准确性。     

基于虚拟激励法的大跨度桥梁非平稳随机振动分析闭合解

针对大跨度结构考虑地面空间运动的非一致地震响应分析问题,结合虚拟激励法,应用傅里叶分析建立了结构非平稳随机振动响应演变功率谱分析的频域方法。建立的方法完全基于频域执行,给出了响应演变功率谱的闭合解表达式。由于实现了确定性调制过程与随机过程的有效分离,应用离散傅里叶变换进行计算不需要较高的采样分析频率就可以获得较好精度的数值结果。数值算例研究了某斜拉桥的考虑地面运动空间效应非平稳随机地震响应,与通常时频分析方法进行对比,验证了本文频域方法的正确性和有效性。     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

TMD耗能结构基于Kanai-Tajimi谱的地震动响应新简明解

针对TMD耗能结构基于Kanai-Tajimi(K-T)谱的地震动响应的表达式复杂不利于工程应用的问题,提出了一种简明解法。首先将K-T谱的滤波方程和TMD耗能结构的运动方程联立,把基于K-T谱的地震动转化为基于白噪声激励的地震动。其次,运用复模态法获得TMD耗能结构的复振动特征值及模态强度系数;运用随机振动理论获得随机地震动响应(结构层位移及其变化率、层间位移及其变化率和层间剪力)协方差和功率谱密度函数的简明表达式。然后,基于谱矩的定义,获得TMD耗能结构地震动响应的0-2阶谱矩的简明解析解。最后研究了基于首次超越破坏准则及Markov分布假设的TMD耗能结构的体系动力可靠度。给出算例并与虚拟激励法进行比较,结果表明:两者的响应功率谱密度函数完全一致;当虚拟激励法积分步长为0.1rad/s,积分区间为0rad/s～1000rad/s时,两种方法所得结构响应的0-2阶谱矩完全重合,表明本文方法的简明性和精确性。     

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

关于虚拟激励法的一个注记

从具有随机频率与随机相位的随机谐和函数出发,证明了当随机频率与相位均为均匀分布而随机幅值与功率谱密度平方根成正比时,该随机过程的功率谱即精确地等于目标功率谱.进而表明:只需遍历频率区间,即可由单一谐和函数激励下的响应幅值给出响应的功率谱密度,从而揭示了虚拟激励法的物理意义.研究还表明:为了给出结构响应的功率谱密度,实际...     

A Volterra-PEM approach for random vibration spectrum analysis of nonlinear systems

In this paper, the Volterra series and the pseudo-excitation method (PEM) are combined to establish a frequency domain method for the power spectral density (PSD) analysis of random vibration of nonlinear systems. The explicit expression of the multi-dimensional power spectral density (MPSD) of the random vibration response is derived analytically. Furthermore, a fast calculation strategy from MPSD to physical PSD is given. The PSD characteristics analysis of the random vibration response of nonlinear systems is effectively achieved. First, within the framework of Volterra series theory, an improved PEM is established for MPSD analysis of nonlinear systems. As a generalized PEM for nonlinear random vibration analysis, the Volterra-PEM is used to analyse the response MPSD, which also has a very concise expression. Second, in the case of computation difficulties with multi-dimensional integration from MPSD to PSD, the computational efficiency is improved by converting the multi-dimensional integral into a matrix operation. Finally, as numerical examples, the Volterra-PEM is used to estimate the response PSD for stationary random vibration of a nonlinear spring-damped oscillator and a non-ideal boundary beam with geometrical nonlinearity. Compared with Monte Carlo simulation, the results show that by constructing generalized pseudo-excitation and matrix operation methods, Volterra-PEM can be used for input PSD with arbitrary energy distribution, not only restricted to broadband white noise excitation, and accurately predict the secondary resonance phenomenon of the random vibration response of nonlinear systems in the frequency domain.

     

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。     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

Design of piezoelectric energy harvesting devices subjected to broadband random vibrations by applying topology optimization

Converting ambient vibration energy into electrical energy by using piezoelectric energy harvester has attracted a lot of interest in the past few years.In this paper,a topology optimization based method is applied to simultaneously determine the optimal layout of the piezoelectric energy harvesting devices and the optimal position of the mass loading.The objective function is to maximize the energy harvesting performance over a range of vibration frequencies.Pseudo excitation method (PEM) is adopted to analyze structural stationary random responses,and sensitivity analysis is then performed by using the adjoint method.Numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed approach.     

Random wave propagation in a viscoelastic layered half space

An extremely efficient and accurate solution method is presented for the propagation of stationary random waves in a viscoelastic, transversely isotropic and stratified half space. The efficiency and accuracy are obtained by using the pseudo excitation method (PEM) with the precise integration method (PIM). The solid is multi-layered and located above a semi-infinite space. The excitation sources form a random field which is stationary in the time domain. PEM is used to transform the random wave equation into deterministic equations. In the frequency-wavenumber domain, these equations are ordinary differential equations which can be solved precisely by using PIM. The power spectral densities (PSDs) and the variances of the ground responses can then be computed. The paper presents the full theory and gives results for instructive examples. The comparison between the analytical solutions and the numerical results confirms that the algorithm presented in this paper has exceptionally high precision. In addition, the numerical results presented show that: surface waves are very important for the wave propagation problem discussed; the ground displacement PSDs and variances are significant over bigger regions in the spatial domain when surface waves exist; and as the depth of the source increases the ground displacement PSDs decrease and the regions over which they have significant effect become progressively more restricted to low frequencies while becoming more widely distributed in the spatial domain.     

Random energy flow analysis of coupled beam structures and its correlation with SEA

Energy flow analysis (EFA) method is a vibration simulation tool developed for structures under single-frequency excitation. The work described in this paper aims to extend the application of EFA to situations where structures are subject to random broadband excitations. The proposed energy formulation for beam structures under random excitations, which is based on conventional EFA, is referred to as random EFA. Due to the new capability of random EFA, a comprehensive relationship between random EFA and the widely used statistical energy analysis (SEA) method in modeling energy response as well as power flow is established. Both random EFA and SEA are utilized to model the vibration behavior of a complex planar frame structure on which random broadband forces are applied. Good correlation between energy as well as power flow solutions is demonstrated between the two methods for beam members in close proximity to the external excitations, which validates the random EFA development.     

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。