基于二阶摄动法求解区间参数结构动力响应

在处理区间参数结构动力响应问题时,现有的分析方法大多局限于一阶区间分析方法. 如果参数的不确定量稍大,采用一阶区间分析方法对结构动力响应范围进行估计可能会失效,所以需要考虑二阶区间分析方法.但是采用基于区间运算的二阶区间分析方法得到的结果将会对动力响应范围过分高估. 为了克服以上缺点,首先基于二阶摄动法得到结构动力响应广义函数. 然后通过求解此动力响应函数的最大和最小值,将结构动力响应区间的问题转化为序列低维箱型约束下的二次规划问题. 最后采用DC 算法(di erence of convex functionsalgorithm) 对这些箱型约束下的二次规划问题进行求解. 这样可以在不引入过多计算量的情况下,避免了对动力响应范围的过分估计. 通过数值算例,将该方法和其他区间分析方法进行比较,验证了该方法的有效性与精确性.      

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.     

区间参数振动系统的动力优化

对具有区间参数的多自由度振动系统的不确定性优化问题，提出一种新的区间优化方法．利用泰勒展开和函数的区间扩张，将区间优化问题转化为近似的确定性优化问题．该方法应用于多自由度线性扭振系统，并把区间设计变量的中值和不确定性半径取作优化参数．算例表明该方法是有效的．     

Non-probabilistic reliability method and reliability-based optimal LQR design for vibration control of structures with uncertain-but-bounded parameters

Uncertainty is inherent and unavoidable in almost all engineering systems. It is of essential significance to deal with uncertainties by means of reliability approach and to achieve a reasonable balance between reliability against uncertainties and system performance in the control design of uncertain systems. Nevertheless, reliability methods which can be used directly for analysis and synthesis of active control of structures in the presence of uncertainties remain to be developed, especially in non-probabilistic uncertainty situations. In the present paper, the issue of vibration con- trol of uncertain structures using linear quadratic regulator （LQR） approach is studied from the viewpoint of reliabil- ity. An efficient non-probabilistic robust reliability method for LQR-based static output feedback robust control of un- certain structures is presented by treating bounded uncertain parameters as interval variables. The optimal vibration con- troller design for uncertain structures is carried out by solv- ing a robust reliability-based optimization problem with the objective to minimize the quadratic performance index. The controller obtained may possess optimum performance un- der the condition that the controlled structure is robustly re- liable with respect to admissible uncertainties. The proposed method provides an essential basis for achieving a balance between robustness and performance in controller design ot uncertain structures. The presented formulations are in the framework of linear matrix inequality and can be carried out conveniently. Two numerical examples are provided to illustrate the effectiveness and feasibility of the present method.     

An interval perturbation method for exterior acoustic field prediction with uncertain-but-bounded parameters

This paper proposes two interval analysis methods, called the first-order interval parameter perturbation method (FIPPM) and the modified interval parameter perturbation method (MIPPM), for use in exterior acoustic field prediction when there are uncertainties in both the material properties and the external load. Interval variables are used to quantitatively describe the uncertain parameters in the face of limited information. The conventional first-order Taylor expansion and perturbation terms are employed in the FIPPM, while the MIPPM introduces modified Taylor series to approximate the non-linear interval matrix and vector. The high-order terms of the Neumann expansion are retained to calculate the interval matrix inverse. A numerical example is given by comparing the results with a Monte Carlo simulation to demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed methods at evaluating the sound pressure ranges in an exterior acoustic field.     

基于泰勒级数展开的区间反演方法

实际结构或构件的几何与材料参数总包含不确定性,在对结构计算模型进行精确分析时,有时需要对参数不确定性进行量化。本文提出了一种用于区间参数识别的反演方法,即基于泰勒级数展开式分别建立参数与响应的区间中值、区间半径的对应函数关系,并通过构建两个反演问题来分步识别参数区间中值和半径,以避免区间扩张现象和简化优化反演过程。通过数值质-弹系统初步验证了方法的可行性,然后基于一组钢板的动测数据,识别了钢板的几何及材料特性参数的区间范围。研究结果表明,本文方法具有良好的区间反演精度,能有效地避免区间扩张现象,可以用于实际工程区间问题的求解。     

基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。     

区间参数结构平稳随机载荷识别方法

针对贫信息下不确定性结构的随机载荷识别问题,使用基于Taylor展开的区间分析方法,提出了一种不确定性结构随机载荷识别的非概率区间方法。该识别方法在频域中进行,识别时使用区间变量描述工程结构中的不确定性参数。基于测点的响应谱密度函数,首先对不确定性参数的名义值点进行随机载荷识别,其次计算载荷关于不确定性参数的灵敏度,最后基于区间扩张理论获得识别载荷谱的上下界值。算例结果表明,使用区间方法得到的不确定性结构的载荷谱识别区间界值都能完全包含载荷真值,此方法能够在结构设计时给出更为可靠的载荷工况。     

计算不确定结构系统静态响应的一种可靠方法

不确定性广泛存在于工程结构分析和设计过程之中，不能简单地予以忽略。目前，概率方法、模糊方法和区间方法是不确定性建模的三种主要方法。本文把具有不确定性的结构材料参数、几何参数和所受外力用区间数描述，通过求解线性区间方程组准确地计算了结构静态响应。计算结果易于扩张是区间计算的一个主要缺陷，本文提出了一种有效避免这一问题的方法。该方法把区间函数的计算和区间线性方程组的求解转化为相应的全局优化问题，来确定解中的每个区间元素的边界值，并采用一种智能性算法(实数编码遗传算法)来求解这些全局优化问题。本文首先采用数学和结构分析算例对该方法的正确性和有效性进行了验证，然后把该方法与有限元方法相结合计算不确定结构系统的响应范围，并和求解同类问题的方法进行了比较。     

有界不确定参数结构位移范围的区间摄动法

当结构参数具有误差或有界不确定性时,区间数学可以在不同知识不确定变量的概率分布的情况下定量地考察不确定参数对结构响应的影响。为计算出不确定结构参数对结构位移影响范围的上下界,文中提出了的两种区骚动国方法。     

线性区间有限元静力控制方程的组合解法

区间有限元的静力控制方程常被归结为区间方程组来求解。但实际上两者并不等价。本文根据不确定结构有限元分析的力学背景，直接从问题的基本参量的不确定性出发，将基本区间参量的边界组合与求解区间方程组的有关解法相结合，提出了线性区间有限元静力控制方程的两种组合解法－参量边界全组合法和组合迭代法。可以以较小的计算量获得或逼近位移和应力区间的准确界限。且不受基本参量变化范围的限制。算例分析表明文中方法是实用和可行的。     

随机杆系结构几何非线性分析的递推求解方法

建立了随机静力作用下考虑几何非线性的随机杆系结构的随机非线性平衡方程. 将和 位移耦合的随机割线弹性模量以及随机响应量表示为非正交多项式展开式,运用传统的摄动方法获 得了关于非正交多项式展式的待定系数的确定性的递推方程. 在求解了待定系数后,利用非 正交多项式展开式和正交多项式展开式的关系矩阵,可以很方便地得到未知响应量的二阶统计矩. 两杆结构和平面桁架拱的算例结果表明,当随机量涨落较大时,递推随机有限元方法比基于 二阶泰勒展开的摄动随机有限元方法更逼近蒙特卡洛模拟结果,显示了该方法对几何非线性 随机问题求解的有效性.     

Interval finite difference method for steady-state temperature field prediction with interval parameters

A new numerical technique named interval finite difference method is proposed for the steady-state temperature field prediction with uncertainties in both physical parameters and boundary conditions. Interval variables are used to quantitatively describe the uncertain parameters with limited information. Based on different Taylor and Neumann series, two kinds of parameter perturbation methods are presented to approximately yield the ranges of the uncertain temperature field. By comparing the results with traditional Monte Carlo simulation, a numerical example is given to demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method for solving steady-state heat conduction problem with uncertain-but-bounded parameters.     

Interval Arithmetic and Static Interval Finite Element Method

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,ｓｏｍｅｕｎａｖｏｉｄａｂｌｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ ,ｓｕｃｈａｓｔｈａｔｏｆｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ,ｌｏａｄｓ ,ａｎｄｓｏｏｎ ,ｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ.Ｉｎｔｈｅｐａｓｔｄｅｃａｄｅｓ,ｔｈｅｓｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｗｅｒｅｍｏｓｔｌｙｔｒｅａｔｅｄｗｉｔｈｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙｏｒｒａｎｄｏｍｐ…     

结构疲劳寿命估计的集合理论模型

对于材料性质和载荷具有不确定性结构进行疲劳寿命估计时,结构疲劳寿命往往是这些不确定性变量的函数.以凸分析和区间数学为理论基础,将这些不确定变量用椭球和区间定量化,基于Taylor级数展开,提出了近似估计结构疲劳寿命的非概率集合理论模型—凸模型方法和区间分析方法.它们克服了概率方法需要预先知道不确定变量的概率分布密度或大量统计数据的局限性,并且计算量小.通过数值算例,将凸模型方法、区间分析方法与概率方法进行了比较研究,数值计算结果表明了这两种非概率方法对线性及非线性形式的结构寿命估计均能提供令人相当满意的精度.     

基于Taylor展式的不确定结构复特征值问题两种非概率方法比较研究

代替传统的处理不确定问题的概率统计方法,将利用区问数学和凸模型理论研究具有有界不确定参数的非比例阻尼结构复特征值所在区域问题．区间数学将有界不确定结构参数用超长方体即区问向量进行定量化,而凸模型理论则用椭球对有界不确定参数进行定量化．在不用知道不确定变量的概率统计特性的条件下,区间分析方法和凸模型理论都可以确定出有界不确定结构参数的非比例阻尼结构复特征值所在区域．通过数学证明和数值算例来说明,在凸模型理论中的椭球在由区间分析中的超长方体—区间向量来确定的条件下,由区间数学所确定出不确定结构复特征值实部和虚部的宽度要比凸模型所确定出的范围的宽度要小,而这正是工程技术人员所要求的结果。     

Response analysis based on smallest interval-set of parameters for structures with uncertainty

An integral analytic process from quantification to propagation based on limited uncertain parameters is investigated to deal with practical engineering problems.A new method by use of the smallest interval-set/hyper-rectangle containing all experimental data is proposed to quantify the parameter uncertainties.With the smallest parameter interval-set,the uncertainty propagation evaluation of the most favorable response and the least favorable response of the structures is studied based on the interval analysis.The relationship between the proposed interval analysis method(IAM) and the classical IAM is discussed.Two numerical examples are presented to demonstrate the feasibility and validity of the proposed method.     

Matrix perturbation method for the vibration problem of structures with interval parameters

ＭＡＴＲＩＸＰＥＲＴＵＲＢＡＴＩＯＮＭＥＴＨＯＤＦＯＲＴＨＥＶＩＢＲＡＴＩＯＮＰＲＯＢＬＥＭＯＦＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＷＩＴＨＩＮＴＥＲＶＡＬＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳＱｉｕＺｈｉ－ｐｉｎｇ（邱志平）ＣｈｅｎＳｕ－ｈｕａｎ（陈塑寰）Ｌｉｕｚｈｏｎｇ－ｓｈｅｎ...     

AN INTERVAL FINITE ELEMENT METHOD BASED ON THE NEUMANN SERIES EXPANSION 1)

实际工程问题中通常存在大量的不确定参数, 区间有限元方法是一种结合有限元数值计算工具对结构进行不确定性分析的区间方法. 区间有限元的目的是获得在含有区间不确定性参数条件下的结构响应上下边界, 其关键问题在于区间平衡方程组的求解, 而这属于一类往往很难求解的NP-hard问题. 本文归纳了一类工程实际中常见的结构不确定性问题, 即可线性分解式区间有限元问题, 并针对此提出一种基于Neumann级数的区间有限元方法. 在区间有限元分析中, 当区间不确定参数表示为一组独立区间变量线性叠加时, 若结构的刚度矩阵也可表示为这些独立区间变量的线性叠加形式, 则称此类区间有限元问题为可线性分解式区间有限元问题. 对于此类问题, 采用Neumann级数对其刚度矩阵的逆矩阵进行表示, 可获得结构响应关于区间变量的显式表达式, 从而可高效求解结构响应的上下边界. 最后通过两个算例验证了本文所提方法的有效性.     

连续体结构屈曲约束的ICM方法拓扑优化

基于ICM(独立、连续、映射)方法解决具有屈曲约束的连续体拓扑优化问题。建立以结构重量为目标,以屈曲临界力为约束的拓扑优化模型;采用独立的连续拓扑变量,借助泰勒展式将目标函数作二阶近似展开;借助瑞利商、泰勒展式、过滤函数将约束化为近似显函数,避免了灵敏度的计算;将优化模型转化为对偶规划,并利用序列二次规划求解,减少了设计变量的数目,缩小了模型的求解规模。给出三个算例,结果表明:该方法可有效地解决屈曲约束的连续体拓扑优化问题,能够得到合理的拓扑结构,并有较高的计算效率。