岩石流变分数阶模型研究

以Kelvin流变模型为研究对象,提出了一种分数阶Kelvin流变模型。首先,把Kelvin模型中的整数阶导数改为分数阶导数,考虑到岩石材料的频率通常不超过1000 Hz,在分数阶拟合时,拟合频段选取为[0 1000],进而利用Oustalop滤波算法把分数阶表示为整数阶模式;其次,利用试验数据对分数阶模型进行参数识别,考虑到分数阶Kelvin模型具有强非线性的特点,引入了Levenberg-Marquardt优化算法来确定未知参数;最后,对于频域表示的流变方程,利用Laplace逆变换获得流变精确表达式。仿真实例表明本文方法可以很好地反映岩石流变特性。     

网纹红土分数阶应力松弛模型

网纹红土松弛特性具有非线性。基于分数阶微积分理论,探讨了能更准确描述网纹红土松弛非线性特性和全过程的FVMS(Fractional Voigt and Maxwell model in series)松弛模型和FVMP(Fractional Voigt and Maxwell model in parallel)松弛模型及其理论解,进而应用提出的模型对三轴松弛试验实测数据进行反演,讨论了分数阶阶数的敏感性,并与西原模型和Burgers模型进行对比分析。研究结果表明,建立的四元件分数阶松弛本构模型应用于网纹红土应力松弛特性分析是有效可行的,模型灵活且精度更高,参数确定简便,发现分数阶阶数对应力松弛量的影响较大,但其对FVMS模型和FVMP模型松弛速率的影响不同,为实际工程长期稳定性分析提供了参考。     

关于黏弹性材料的广义Maxwell模型

采用流变力学分析黏弹性材料的流变特性时,常要用到广义Maxwell模型 表达的应力松弛模量. 而从试验中获得的应力松弛模量,其表达式常为 Kohlrausch-William-Watts function(KWW函数)形式. 通过把KWW函数和广义Maxwell模型的拟合问题转化为两 矩阵相等的求解问题后,又把两矩阵的相等等价于两矩阵差值向量的一阶范数为无穷小的问 题,并通过引入广义逆矩阵,求得两矩阵差值向量的一阶范数的最小值,最后以一阶范数的 最小值为目标函数,松弛时间为约束条件,利用单纯形法对两矩阵差值向量的一阶范数的最 小值优化,从而提出了一种针对黏弹材料的KWW函数与广义Maxwell模型转换的计算方法. 借助于MATLAB软件,实现了对黏弹材料的广义Maxwell模型的拟合.     

基于分数阶模型的牡蛎壳动力学特性研究

贝壳、牡蛎等天然材料因其轻质高强的力学特性在材料设计等领域受到了广泛的关注,但由于材料本身结构的复杂性,对其力学行为的研究十分困难。近年来,分数阶模型在研究材料的力学特性上取得了成功,相比传统模型,分数阶模型可以更好地表征复杂介质的应力或应变与时间的关系。因此,本文从波传播理论出发,以分数阶模型作为材料本构,得到了复杂介质的波传播控制方程。通过Laplace变换得到了控制方程的解析解,并通过Laplace数值逆变换分析了波的衰减对分数阶模型中参量的敏感性,讨论了不同于材料弹性、黏性的材料“惯性”特性。接着,基于解析解和多种实验测试信号,给出了得到分数阶模型参数的拟合式子。以牡蛎材料作为研究对象,利用CO₂脉冲激光器进行小试样的冲击加载、应用两点激光干涉测速系统(laser interferometer velocimetry system, VISAR)对表面粒子的速度进行测量,得到了4种密度下不同厚度的牡蛎壳试样的粒子速度时程曲线,再结合上述理论方法分析得到了牡蛎壳试样的Abel模型和分数阶Maxwell模型的参数,模型参数反映了牡蛎壳试样的细微观结构特征。结果...     

广义Maxwell黏弹性流体在两平板间的非定常流动

将分数阶微积分运算引入Maxwell黏弹性流体的本构方程，研究了黏弹性流体在两平板问的非定常流动．对于广义Maxwell黏弹性流体的分数阶导数模型，导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程，利用分数阶微积分的Laplace变换理论，得到了流动的解析解．     

基于ACS算法的MEMS加速度计现场标定方法

针对MEMS加速度计测量误差大、精度低,难以快速、准确现场标定的问题,提出了一种基于自适应布谷鸟搜索(ACS)算法的MEMS加速度计现场标定方法.通过误差分析,建立了多参数非线性误差模型,并从标定结果的方向性出发构造了标量约束目标函数.在布谷鸟搜索(CS)算法的基础上,通过提出自适应权重和自适应调节因子对算法进行了自适...     

黏弹性纳米流体在垂直板上的自然对流与传热分析

基于分数阶Maxwell模型和分数阶Fourier定律构建黏弹性纳米流体在垂直板上的非定常二维边界层自然对流与传热控制方程,利用有限差分和L1算法获得数值稳定解,对不同物理参数下的速度、温度、平均表面摩擦系数和平均Nusselt数的变化趋势进行图形化分析。结果显示,速度和温度边界层均表现出短暂记忆和延迟特性;速度分数导数参数削弱了自然对流,而速度松弛时间的影响却相反;温度分数导数参数削弱了自然对流和热传导,而温度松弛时间的影响却相反。     

复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价

提出了根据动力特性试验识别结构的模态参数,运用优化算法修改动力有限元模型,进而评价复杂承载钢结构练合性能的方法.针对复杂承载钢结构的结构特点和激振形式,推导了模态参数识别公式;介绍了有限元模型动力修正的一阶搜索优化算法.利用近似平稳随机激励,对井架钢结构进行了现场模态试验,识别出前三阶固有频率和前二阶振型,分析了该结构的实际运行状况.仅依据前二阶固有频率,应用一阶搜索的优化算法,对动力有限元模型进行了修正,重分析表明:该修正模型实现了前三阶固有频率和应力特征的精确反演,能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价.     

基于多孔介质理论的混凝土徐变力学行为的有限元分析

水分是影响混凝土徐变的最重要因素之一,但通常为了计算的简便往往忽略了水分的影响,造成计算结果有很大的误差.文章根据混合物理论结合罚参数法、Galerkin加权残值法以及徐变应力分析的隐式解法,推导得到了混凝土徐变两相多孔介质模型.建立了有限元计算模型,给出了求解算法并编制了有限元程序.计算和试验比较分析表明,该理论和计算方法得到的结果遵循徐变相关性质,说明了该理论和计算模型的合理性.最后,指出了模型中存在的不足以及进一步的研究方向.     

考虑温湿度耦合的水工混凝土抗压强度分数阶模型探讨

养护温度、湿度、龄期对早期抗压强度的发展具有重要影响,综合考虑温度和湿度对水工混凝土的早期抗压强度影响研究偏少。本文结合掺粉煤灰水工混凝土,开展了不同养护条件(标准、包裹、裸露)的早龄期抗压强度发展规律影响试验,进而基于等效龄期理论建立了温湿度耦合作用下的水工混凝土抗压强度分数阶计算模型。试验结果表明,养护温度和湿度对混凝土抗压强度的初期影响较大,后期影响相对较小。不同养护条件下混凝土抗压强度大小规律为:标准养护下的抗压强度最大,包裹养护条件下的抗压强度次之,裸露养护下的抗压强度最小。虽然组合指数式、组合修正对数式、分数阶早期抗压强度计算模型均能较好地反映水工混凝土早期抗压强度的发展规律,但从与试验数据拟合效果来看,分数阶计算模型略优于其它计算模型。     

基于频响函数提升小波总能量的桁架结构随机模型修正

为了解决模型修正问题中的随机性,构建了一种基于提升小波总能量的随机模型修正方法.首先,将结 构的加速度频响函数进行提升小波变换,并提取提升小波总能量来代替加速度频响函数;然后,以待修正参数作为输入,提升小波总能量为输出构建响应面代理模型代替原来的有限元模型;接着,运用蒙特卡洛抽样抽取响应样本,并设定阈值筛选响应样本;最后,以代理模型预测得到的响应和抽样所得真实响应之间的差值最小为 目标函数,通过布谷鸟优化算法寻优求解待修正参数的均值.算例表明,所提方法修正后参数的最大误差小于3.3％,相应的频响函数曲线重合度高.     

考虑拉压异性徐变的高混凝土坝实测应变转换应力探讨

应变计组实测应变转换为应力与混凝土的徐变特性有关,本文探讨了基于拉压异性徐变的高混凝土坝实测应变转换为应力。首先针对施工期高混凝土坝实测应变存在监测误差,基于实测应变建立的统计模型,获得拟合应变过程线;然后采用应力增量法,基于线性叠加假设,导出了考虑拉伸压缩异性徐变的实测应变转换应力计算公式。结合某高混凝土坝工程应变计组实测应变,对比分析了拉压一致徐变、拉压异性徐变转换应力的差异。分析结果表明,考虑拉压异性徐变后,由于拉伸徐变度小于压缩徐变度,计算应力向拉应力方向偏移,且随时间的增加,偏移量缓慢增加。     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

基于有限差分-谱方法的分数阶Burgers流体的非稳态驻点流动

研究了分数阶Burgers流体通过拉伸平板的非稳态驻点流动问题。将分数阶导数引入Burgers流体模型可以更好地模拟流动过程,但也增加了模型的复杂性和求解难度。首次运用有限差分-谱方法求解分数阶Burgers流体模型,离散格式构造简单有效。采用谱方法对控制方程中的空间项进行离散,利用有限差分方法分别结合L-1和L-2算法离散控制方程中的时间项,给出了两种离散格式,并且通过构造数值算例证明了离散格式的收敛性。结果表明,在靠近平板处,速度随着分数阶导数的增加而减小,而无穷远处的流体速度呈现出相反的趋势,体现了分数阶导数的记忆特性。此外,雷诺数越小,流体的粘度越大,导致流体速度越大。由于松弛时间参数的松弛特性,靠近平板处松弛时间参数对速度分布有抑制作用,远离平板处松弛时间促进流体流动。     

考虑老化的混凝土粘弹性分数导数模型

混凝土是一种具有分形结构的材料。采用分数微积分模型来研究具有分形结构材料的老化规律目前尚未见到。本文的目的是采用含分数阶导数的类标准线性体来模拟考虑老化的混凝土的蠕变和松弛规律。给出了分数导数与Abel核之间的关系。讨论了类标准线性体的蠕变柔量和松弛模量及其在考虑老化的混凝土中的应用。与传统的混凝土流变模型相比较表明，类标准线性体可以更好地同时拟合混凝土在不同龄期的蠕变和松弛曲线。而且其形式简单、统一，在计算过程中需要调整的参数很少。可以预见，类标准线性体在混凝土的结构设计和计算中将有着广泛的应用前景。     

基于混合反馈控制的分数阶混沌系统多延时完全同步

为提高保密通信的安全性,本文首次将完全同步和延时投影同步的思想相结合提出了多延时完全同步。针对Lorenz、金融分数阶两个不同的混沌系统,基于分数阶稳定性理论以及混合反馈控制方法,通过设计能够自动调节反馈增益系数的混合反馈控制器,实现了分数阶多延时完全同步。根据前人提出的修正的预估校正算法对混沌系统进行数值仿真,结果表明由驱动系统与响应系统构建的多延时完全同步误差系统将最终稳定于零点,从而验证了混合反馈控制器的有效性和可行性。     

非牛顿流体的广义Maxwell模型及其解

引进带分数阶导数的广义Ｍａｘｗｅｌｌ模型和Ｖｏｉｇｔ模型；用Ｌａｐｌａｃｅ变换正、反演算法，给出了非牛顿流体应力松弛和蠕变近似解析解。分数阶表征了其衰减或增长的变化特性，这是一种研究分数阶导数流变学的分析、计算方法．     

非稳态分数阶Oldroyd-B流体绕楔形体流动研究

研究了非稳态分数阶Oldroyd-B流体在多孔介质中通过楔形拉伸板的驻点流动问题。基于分数阶Oldroyd-B流体的本构模型建立了动量方程,并在其中引入了浮升力和驻点流动特征。此外,考虑了具有热松弛延迟时间的修正的分数阶Fourier定律,并将其应用于能量方程和对流换热边界条件。接着,采用与L1算法相结合的有限差分法求解控制偏微分方程。最后,分析了相关物理参数对流动的影响。结果表明,随着楔角参数的增加,流体受到的浮升力增大,导致速度加快;达西数越大,介质的孔隙度变大,流体的流动越快;此外,温度分布先略有上升后明显下降,这表明Oldroyd-B流体具有热延迟特性。     

基于摄动法的不确定性有限元模型修正方法研究

开展了考虑不确定性的有限元模型修正方法的研究。基于摄动法推导了待修正参数均值和协方差矩阵的迭代格式,其中协方差的迭代格式包括是否考虑试验数据与修正参数之间相关性的两种形式。在理论研究基础上开展数值仿真研究,实现了不确定性有限元模型修正的摄动法,并研究了试验数据样本数量对修正误差的影响。仿真结果表明,该方法适用于解决系统参数与试验数据存在不确定性的模型修正问题,试验样本数量对待修正参数标准差的修正精度影响较大;忽略试验模态参数与待修正参数不确定性之间的相关性,能够避免计算二阶灵敏度矩阵,在保证修正结果准确性的前提下减少计算量。     

基于贝叶斯方法的模态参数识别的不确定度分析

振动模态分析和模态参数识别是动态测试的一个重要研究方向。模态参数在模型的修正、响应的预测、系统的健康检测及控制等方面有着重要的作用。但动态测试的不确定度分析,尤其是模态参数的不确定度的研究还十分缺乏。本文主要基于贝叶斯方法,通过傅立叶变换(FFT)建立时域数据和频域数据之间的对应关系。根据共振频带内的多个模态的响应数据得到相对应的模态参数,优化得到模态参数的最佳估计值,评定模态参数识别的不确定度。在固支梁的模态实验中,加速度传感器采集环境激励中的振动数据,运用贝叶斯法进行处理得到模态参数的最佳估计值。在此基础上,通过模态参数的最佳估计值,以及仪器的检定报告数据,结合合成不确度分析方法,系统分析了模态参数识别的不确定度。