随机和区间非齐次线性哈密顿系统的比较研究及其应用

随着计算机技术的飞速发展,更高效、更稳定和长时间模拟能力更强的数值算法需求迫切.哈密顿系统辛算法与传统算法相比在稳定性和长期模拟方面具有显著优越性.但动力系统中不可避免地存在大量不同程度的不确定性,动力学分析中需要考虑这些不确定性的影响以确保合理有效性.然而,目前考虑参数不确定性的哈密顿系统响应分析的研究基础还比较薄弱.为此,本文考虑随机和区间参数不确定性,对两种不确定性非齐次线性哈密顿系统分析计算结果进行了比较研究,从而突破了传统哈密顿系统的局限性,并应用于结构动力响应评估中.首先,针对确定性非齐次线性哈密顿系统,提出了考虑确定性扰动的参数摄动法;在此基础上,分别提出了随机、区间非齐次线性哈密顿系统的参数摄动法,得到了它们响应界限的数学表达;随后,用数学理论推导得到了区间响应范围包含随机响应范围的相容性结论;最后,两个数值算例在较小时间步长下验证了所提方法在结构动力响应中的可行性和有效性,体现了随机、区间哈密顿系统响应结果之间的包络关系,并在较大时间步长下与传统方法相比较凸显了哈密顿系统辛算法的数值计算优势、与蒙特卡洛模拟方法相比较验证了所提方法的精度.     

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。     

基于区间参数摄动法的三维弹塑性区间有限元探讨

首次探讨了弹塑性问题的区间分析,推导了三维弹塑性问题的区间参数摄动法有限元计算公式,研制了相应的弹塑性区间有限元程序,通过算例分析得到结论:(1)采用增量法对弹塑性问题进行区间分析时,增量位移离差随着增量位移均值的增大而增大.(2)单元高斯点应力没有达到屈服极限之前,高斯点的应力离差很小;当单元高斯点应力达到屈服极限之后,高斯点应力离差逐渐增大.(3)是否考虑塑性矩阵的应力分量为弹塑性参数的隐函数,对应力高差计算的影响较小.     

不确定非线性结构动力响应的区间分析方法

研究多自由度非线性不确定参数系统的动力响应问题. 以区间数学为基础,将不确定 性参数用区间进行定量化,借助一阶Taylor级数,给出了近似估计非线性振动系统动力响 应范围的区间分析方法. 从数学证明和数值算例两方面,将其与概率摄动有限元法进行了比 较,结果显示区间分析方法对不确定参数先验信息具有要求较少、精度较高的优点.     

结构损伤的非概率区间识别方法

基于结构时域加速度响应,利用区间分析方法对具有外界激励和测量数据不确定性的结构系统进行损伤识别.不确定性量被处理为有界区间数,基于参考有限元模型和被测加速度响应,经过提出的两步模型参数的区间修正方法分别得到了未损伤和损伤结构区间模型,进而通过定义的PoDE(Possibility of Damage Existence)确定了结构各单元的损伤可能性.最后以十杆平面桁架系统为例,对区间方法与概率方法的损伤识别结果进行对比,讨论了损伤程度和不确定度对识别结果的影响,结果表明了本文方法的可行性与有效性.     

二自由度耦合线性随机系统的最大Lyapunov指数和稳定性

利用摄动方法和Fokker-Planck算子及其伴随算子的特征函数展开法,讨论了两个模态都处于临介状态的耦合二自由度振动系统,在小强度的非高斯噪声参数激励下系统运动的稳定性,获得了系统扩散过程的稳态概率密度的渐近表达式,建立了系统最大Lyapunov指数的渐近表达式,由此获得了系统运动模态几乎必然稳定的充分必要条件。     

基于Green函数的动态载荷区间识别方法研究

基于位移响应时间序列,提出了对结构动态载荷时间历程进行识别的区间方法.载荷在时域内可用一系列脉冲响应函数来表示,系统的响应是载荷与单位脉冲响应函数(Green函数)的卷积分.采用区间向量定量化不确定但有界的位移响应时间序列,并将Green函数离散,构造区间线性方程组,并利用区间摄动法进行求解,从而得到待识别载荷时间历程的区间估计.对不同测点下识别得到的载荷区间进行集员识别,改进识别结果精度.最后通过对十杆桁架结构和悬臂梁结构的动态载荷识别,验证了本文方法的有效性和适用性.     

非参数概率系统非平稳随机响应研究

对复杂系统的测量和知识的有限性造成的不确定很难完全由随机参数模型进行描述,采用随机矩阵模型更具有一般性和合理性.本文应用随机矩阵模拟不确定线性动力系统有限元模型中质量阵、阻尼阵和刚度阵的概率不确定性.综合运用虚拟激励法和精细时程积分法建立了非参数概率系统非平稳随机响应的有效计算方法.数值模拟结果表明,对于高精度制造,模型的不确定性是不能忽略的.本文提出的算法为此类问题求解提供了一条有效途径.     

不确定结构动力区间分析方法研究

将结构中的不确定性参数用区间数来表示,建立了系统的区间动力特征方程和动力控制方程.通过将Monte Carlo方法引入到区间分析中来,并改进了一般Monte Carlo方法在区间模拟中存在的缺陷,对区间动力特征方程和动力控制方程进行了求解,得到了结构的固有频率、位移响应和应力响应的区间计算结果.算例表明改进的Monte Carlo方法求解简单,具有普适性,能够给出较高精度的响应区间.     

双参数地基上环板的非线性动力响应

研究双参数地基上环板的大挠度动力响应问题，给出了求解该问题的一种有效方法，即在空间域上运用摄动微分求积法处理非线性边值问题，在时间域上则以三点递推格式的Ｎｅｗｍａｒｋ－β法计算其动力响应。文中同时讨论了不同形式地基对环板在均布阶跃载荷作用下动力响应的影响。     

拟不可积Hamilton系统响应的随机最优控制

提出了一种基于拟不可积Hamilton系统随机平均法和随机动态规划原理的控制策略.它可以对受高斯白噪声激励的拟不可积Hamilton系统进行非线性随机最优控制,以使系统的响应最小化.利用拟不可积Hamilton系统随机平均法可以将受控的拟不可积Hamilton系统降维成一维的Ito随机微分方程.利用随机动态规划原理可以为系统响应最小化问题建立动态规划方程.在控制力为有界的条件下,从动态规划方程中可以确定出最优控制规律.受控系统的响应是通过求解与Ito随机微分方程相联系的FPK方程得到的,用一个例子阐述了这一随机最优控制策略的实施过程.     

STOCHASTIC OPTIMAL CONTROL FOR THE RESPONSE OF QUASI NON-INTEGRABLE HAMILTONIAN SYSTEMS~

A strategy is proposed based on the stochastic averaging method for quasi nonintegrable Hamiltonian systems and the stochastic dynamical programming principle. The proposed strategy can be used to design nonlinear stochastic optimal control to minimize the response of quasi non-integrable Hamiltonian systems subject to Gaussian white noise excitation. By using the stochastic averaging method for quasi non-integrable Hamiltonian systems the equations of motion of a controlled quasi non-integrable Hamiltonian system is reduced to a one-dimensional averaged Ito stochastic differential equation. By using the stochastic dynamical programming principle the dynamical programming equation for minimizing the response of the system is formulated.The optimal control law is derived from the dynamical programming equation and the bounded control constraints. The response of optimally controlled systems is predicted through solving the FPK equation associated with It5 stochastic differential equation. An example is worked out in detail to illustrate the application of the control strategy proposed.     

非线性随机动力学与控制的哈密顿理论框架

近几年来,笔者提出与发展了随机激励的耗散的哈密顿系统理论,包括精确平稳解、等效非线性系统法、拟哈密顿系统随机平均法、拟哈密顿系统的随机稳定性与随机分岔、首次穿越损坏分析方法及非线性随机最优控制策略,从而构成了一个非线性随机动力学与控制的哈密顿理论框架.本文简要介绍这一理论框架.     

POD与MSM原理和应用的对比分析

为揭示本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD) 与模态叠加法(mode superposi-tion method, MSM) 在基本原理和工程应用中的异同,对POD 和MSM 的数理基础进行了对比性分析;通过风洞试验及动力响应时程分析获得了一座冷却塔的表面脉动风载荷及其脉动响应,以此两个时空随机场为例对POD 和MSM 两种方法的应用进行了对比性阐述. POD 和MSM 均通过引入空间模态和相应的时间坐标,经线性叠加来实现对时空随机场的分解与重建,但两者的应用对象并不一致:前者多用于已知随机载荷场的分析而后者多用于未知结构响应的计算. 两者空间模态和时间坐标的提取方法和数理意义以及各模态对原随机场的贡献等亦不相同. 尽管POD 和MSM 两种方法所得空间模态均有正交性,但时间坐标的正交性仅存在于POD 方法,故POD 各阶模态的本征值之和可以完全反应对原随机场的贡献,而MSM 的模态贡献则存在一定的耦合性.     

时变小扰动Hamilton系统的Hopf分岔

运用Melnikov方法研究了时变小扰动Ｈamilton系统周期轨道发生Ｈopf分岔的条件,并将这些条件应用到一类三维时变小扰动非自治系统,数值结果验证了本文理论的正确性,进一步数值积分表明,所研究的系统还存在复杂而有规律的环面分岔行为。     

多自由度非线性随机系统的响应与稳定性

响应与稳定性分析一直是随机动力学研究的热点, 发展预测随机响应及判定系统响应性态的方法具有重要的科学意义与广阔的应用前景. 本文综述了有关多自由度非线性随机系统的响应与稳定性的研究. 首先简介用于随机系统响应预测的Fokker-Planck-Kolmogorov方程法、随机平均法、等效线性化法、等效非线性系统法和Monte Carlo模拟法, 评述其优缺点, 进而讨论了多自由度非线性随机系统响应的精确平稳解、近似瞬态解的研究现状. 然后介绍了随机系统稳定性分析的两类方法, 即Lyapunov函数法及Lyapunov指数法,并综述了多自由度非线性随机系统稳定性分析的研究现状. 最后给出几点发展建议.     

线性振动亏损系统广义模态参数的识别方法

基于线性振动亏损系统的广义模态理论,本文提出了一种识别亏损系统广义模态参数的频域方法。该方法将直接法与迭代法相结合,无需人工初值,可分步识别出亏损系统的全部广义模态参数。模拟识别结果表明,本文方法是有效且可行的。     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

一类偏微分方程的Hamilton正则表示

主要给出一系列关于力学中的偏微分方程的无穷维Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则表示．其中包括变系数线性偏微分方程,ＫｄＶ方程,ＭＫｄＶ方程,ＫＰ方程,Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程等的无穷维Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则表示．     

DYNAMICS ANALYSIS OF STOCHASTIC SPATIAL FLEXIBLE MULTIBODY SYSTEM 1)

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.