动态结构系统的频率可靠性稳健设计研究

针对随机动态结构系统振动问题进行研究,提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法;在此基础上,推导出频率可靠性灵敏度计算公式,研究设计参数的改变对随机动态结构系统频率可靠性的影响,给出各随机参数可靠性灵敏度的变化规律;并将频率可靠性及其灵敏度分析方法与可靠性优化设计方法相结合,提出了频率可靠性稳健优化设计方法,同时以一简化的两自由度的车身-车轮-路面关系的1/4离散系统模型为例,对该模型进行了频率可靠性稳健设计的研究,其理论计算结果与工程实际情况完全一致,也说明了所提方法的有效性和实用性,为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的理论依据。     

任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析

在刚度可靠性设计理论与灵敏度分析方法的基础上,研究了任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析问题,提出了刚度可靠性灵敏度分析的计算方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律,研究了设计参数的改变对梁结构刚度可靠性的影响,为任意分布参数的梁结构刚度可靠性设计提供了理论依据。     

独立失效模式多自由度随机滞回系统可靠性分析

基于Bouc-Wen滞回模型,研究了由滞回环本身的随机性导致的多自由度非线性随机系统可靠性分析问题。基于结构失效的首次穿越模型,应用四阶矩技术和Edgeworth级数逼近技术,对独立失效模式下多自由度随机滞回系统的可靠性问题进行分析。数值算例表明,由独立随机参数表征的随机结构,系统随机响应之间不再独立,存在协方差;系统响应之间相关系数不唯一,具有随时间连续变化的动态、强相关特性。分析计算结果与Monte-Carlo模拟结果吻合较好,表明算法能够满足工程计算精度要求。     

精细积分时域平均法和随机扩阶系统法

讨论含随机参数结构的动力响应的计算问题,发展了精细积分时域平均法（ＴＡＰＩＭ）,它可以用来计算确定性系统受到随机激励时的动力响应;结合随机扩阶系统方法与随机有限元法,将ＴＡＰＩＭ方法应用于计算随机参数结构的动力响应,取得了较好的结果。结出了数值算例,结果表明随机扩阶系统法,随机有限元法与精细积分时域平均法的结合是计算 随机参数结构动力响应的有效方法。     

非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计

将刚度可靠性设计理论和稳健设计方法相结合,讨论了具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计问题,提出了刚度可靠性稳健设计的计算方法.把可靠性灵敏度融入可靠性优化设计模型之中,将刚度可靠性的稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下,通过计算机程序可以实现具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计,迅速准确地得到具有非正态分布参数的梁结构刚度可靠性稳健设计信息.     

随机参数多自由度体系在平稳随机反应下的系统动力可靠性

对具有随机参数的多自由度体系,提出了求解其系统动力可靠度上、下限的一种计算方法。考虑结构的物理和几何参数具有随机性,从结构随机响应的频域表达式出发,利用求解随机变量数字特征的代数综合法和矩法,导出了随机参数多自由度体系在平稳随机激励下的平稳随机反应均方值的数字特征,再由动力可靠性的Poisson公式导出了随机参数结构的动力可靠度的计算公式,然后根据系统可靠性分析方法,分析了随机参数多自由度体系的系统动力可靠性,最后给出了系统动力可靠度上、下限的计算公式,并给出一个算例。     

随机参数超空泡射弹的动力稳定性和可靠性

针对轴向随机载荷作用下超空泡射弹结构的动力不稳定问题,建立超空泡射弹结构动力偏微分方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算。考虑射弹结构参数随机性的影响,采用随机因子法求出随机参数射弹结构的动力不稳定区域边界,利用求解随机变量数字特征的代数综合法,推导出动力不稳定区域边界的均值和方差。在此基础上,对结构的非概率可靠性进行了分析,并讨论了参数的随机性对射弹结构动力不稳定性和非概率可靠性的影响。数值模拟结果表明,参数的随机性对射弹动力不稳定区域边界和非概率可靠性有一定的影响,其中,几何参数的随机性对射弹结构动力稳定性及可靠性影响较大。     

非线性随机结构动力可靠度的密度演化方法

建议了一类新的非线性随机结构动力可靠度分析方法。基于非线性随机结构反应分析的概率密度演化方法,根据首次超越破坏准则对概率密度演化方程施加相应的边界条件,求解带有初、边值条件的概率密度演化方程,可以给出非线性随机结构的动力可靠度。研究了数值计算技术,建议了具有自适应功能的TVD差分格式。以具有双线型恢复力性质的8层框架结构为例进行了地震作用下的动力可靠度分析,与随机模拟结果的比较表明,所建议的方法具有较高的精度和效率。     

Stochastic synchronization of nonlinear energy resource system via partial feedback control

This paper addresses stochastic synchronization issue of the four-dimensional energy resource system with stochastic noises based on partial states. By using the adaptive control approach, in the case of only parts of states are available, several sufficient conditions are derived to ensure synchronization of the nonlinear energy resource system under noise perturbation. Furthermore, robust synchronization in the presence of parameter mismatches is also considered. To be pointed out that, the important feature of the proposed method is that synchronization could be achieved through the control of only parts of available variables even with stochastic noises. Finally, a numerical example with simulation results is provided to illustrate and verify the effectiveness of the obtained results.     

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.      

Estimation of stochastic nonlinear dynamic response of rock-fill dams with uncertain material parameters for non-stationary random seismic excitation

This research investigates the effect of uncertain material parameters on the stochastic, dynamic response of a rock-fill dam-foundation system subjected to non-stationary random excitation. The uncertain material parameter of particular interest is the shear modulus, developed from a lognormal distribution model. The stochastic seismic response model of the dam-foundation system, with uncertain material parameters and subjected to random loads is the result of a Monte Carlo simulation method. The nonlinear behavior model arises from an equivalent linear method, which considers the nonlinear variation of soil shear modulus and soil damping as a function of shear strain. Specification of the non-stationary stochastic process arises from a simulation method, which generates artificial earthquake accelerograms obtained from the product of a deterministic function of time and a stationary process. The artificial earthquake ground acceleration records reflect the characteristics of soft, medium and firm soil types. Comparison of the numerical results from these approaches provides stochasticity in earthquake seismic excitation and randomness in material parameter (shear modulus) cases. Further, the results indicate that both these cases generally influence the nonlinear dynamic response of rock-fill dams to a non-stationary seismic excitation.     

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.     

随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法,采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造,并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致,实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步,基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型,并以顶点位移为指标,进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明,风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位,同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外,随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备,可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。     

随机结构非线性动力响应的概率密度演化分析

提出了随机结构非线性动力响应分析的概率密度演化方法．根据结构动力响应的随机状态方程，利用概率守恒原理，建立了随机结构非线性动力响应的概率密度演化方程．结合Newmark-Beta时程积分方法与Lax-Wendroff差分格式，提出了概率密度演化方程的数值分析方法．通过与Monte Carlo分析方法对比，表明所给出的概率密度演化方法具有良好的计算精度和较小的计算工作量．研究表明：随机结构非线性动力响应概率密度具有典型的演化特征，随着时间增长，概率密度曲线分布趋于复杂．     

非平稳随机激励下结构体系动力可靠度时域解法

将结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对其进行数值求解,导出了非平稳激励下结构随机响应的时域显式表达式,该过程的计算量仅相当于两次确定性时程分析的计算量. 基于该显式表达式,结合首次超越失效准则,提出了非平稳随机激励下结构体系动力可靠度的数值模拟算法. 与功率谱方法相比,该方法无需同时在时频域内进行大量数值积分,也无需引入关于响应过程跨越界限次数概率分布, 以及各失效模式相关性等方面的假定. 通过数值算例, 对比了该方法与泊松过程法、马尔可夫过程法、传统蒙特卡罗法的计算精度和计算效率,结果显示该方法具有理想的精度和相当高的效率.      

基于神经网络的结构可靠性优化设计

结合随机摄动技术和随机模拟方法,提出了可靠性优化设计的一种数值逼近法,将服从任意分布的可靠性概率约束等价转化为确定型约束,可以迅速准确地获得优化设计结果。针对具有多失效模式的结构可靠性优化设计,提出了随机模拟-神经网络方法,模拟得到随机设计变量与系统可靠度之间的显性函数表达式,简化了计算过程,同时可以获得较高的计算精度,具有很好的工程实用价值。     

质量周期分布对偏心旋转环状结构自由振动的影响

工程实际中,某些旋转对称设计结构由于存在制造安装误差常呈现偏心旋转状态,进而影响结构稳定性.针对该类环状周期结构,考虑其偏心运动,研究附加质量周期分布参数以及偏心率对系统固有频率与动力稳定性的影响.首先,在环状结构上建立随动坐标系,利用Hamilton原理建立动力学模型.其次,采用经典振动理论求解系统的特征值,分析不同参数组合下的模态特性和不稳定性.最后,利用数值法计算系统的动态响应,并与解析结果进行对比.结果表明,当附加质量个数与波数满足一定关系时,固有频率发生分裂;对于不同的偏心率和周期分布特征,系统在不同转速下动力性能差异较大,适当提高偏心率、选取合适的附加质量个数及大小可有效抑制不稳定性.此研究有助于分析工程实际中该类结构的动力学稳定性,为其振动控制提供借鉴.     

Analysis of period-doubling bifurcation in double-well stochastic Duffing system via Laguerre polynomial approximation

The Laguerre polynomial approximation method is applied to study the stochastic period-doubling bifurcation of a double-well stochastic Duffing system with a random parameter of exponential probability density function subjected to a harmonic excitation. First, the stochastic Duffing system is reduced into its equivalent deterministic one, solvable by suitable numerical methods. Then nonlinear dynamical behavior about stochastic period-doubling bifurcation can be fully explored. Numerical simulations show that similar to the conventional period-doubling phenomenon in the deterministic Duffing system, stochastic period-doubling bifurcation may also occur in the stochastic Duffing system, but with its own stochastic modifications. Also, unlike the deterministic case, in the stochastic case the intensity of the random parameter should also be taken as a new bifurcation parameter in addition to the conventional bifurcation parameters, i.e. the amplitude and the frequency of harmonic excitation.     

随机桁架结构的非平稳随机动力响应分析

本文研究了随机桁架结构在非平稳随机激励下的动力响应问题。在利用随机因子法分析随机结构动力特性的基础上，给出了一种分析随机结构非平稳随机响应的新方法。从结构非平稳随机响应的表达式出发，同时考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，导出了随机桁架结构在非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响。本文方法具有对随机结构进行一次动力分析便可求得动力响应的数字特征，且可以考察结构任一参数的随机性对结构非平稳随机响应分析结果的影响之优点。     

给出不确定性激励下的动态响应边界——一种非随机振动分析方法

提出了一种非随机振动分析方法,可给出系统在不确定性激励下的动态响应边界,从而为实验信息相对缺乏的不确定性振动分析及未来的可靠性设计提供一种新的计算工具.采用非概率凸模型过程而非传统的随机过程描述不确定性动态激励,仅需知道激励在任意时刻点的边界信息而非精确概率分布,从而有效降低对大样本量的依赖性.针对单自由度和多自由度系统,建立了相应的非随机振动分析算法,以求解系统在不确定性动态激励下的响应区间;另外,也给出了蒙特卡罗仿真方法,为非随机振动提供一种最为一般的分析工具.最后,通过3个数值算例验证了本文方法的有效性.非随机振动分析方法可以作为传统随机振动理论的补充,在工程不确定性结构动力学分析及结构可靠性设计领域发挥作用.