兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法

为避免考虑瞬态动力性能时拓扑优化的高计算成本,满足工程快速设计的需求,获得主要静动荷载作用下的合理结构形态,本文提出了一种低计算成本的兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法。施加的动荷载是地震等效荷载,用振型分解法和抗震规范中的反应谱曲线确定;通过结构形态、动力特性和地震等效静载的相互反馈和作用实现了考虑结构动力特性的拓扑优化;此外,还提出方法的自动进化策略。算例表明,方法可有效实现兼顾静动性能的拓扑优化。     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

大跨屋盖结构考虑模态耦合的等效静力风荷载

基于荷载响应相关法提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法. 该方法不 再分别计算结构的背景响应和共振响应,而是采用完全二次型组合法直接计算结构的整体动 态响应;而且这种方法能够考虑多阶模态的贡献和各阶模态响应间的耦合效应. 最后,将一 大跨屋盖结构(深圳市民中心)作为实际工程应用案例,计算了它的等效静力风荷载,并将 其与其他方法的计算结果进行比较,以验证方法的有效性.     

苏联第11个五年计划期间结构计算理论和方法的主要科学研究方向

在1981—1985的第11个五年计划期间,苏联建筑力学和结构计算理论将在下述9个方向予以发展。1.按照静荷载,动荷载(其中包括地震荷载)和气候等作用下的综合图,研究房屋和工程结构的计算方法,这里假定结构物为统一的空间系统,并考虑所有结构部件的工作。目前,建筑物设计主要是根据有不同理由的简化计算模型进行计算。在多数计算模      

具有动应力和动位移约束的离散变量结构形状优化设计方法

讨论了动应力、动位移约束下离散变量状优化设计问题。首先用拟静力算法,将结构惯性力极值作为静载荷施加到结构上,求得结构的动位移和动内力,然后将考虑动应力约束和动作移约束的离散变量结构优化设计问题化为静应力和静位移约束的优化问题。在求解过程中,将单元内力作了一阶近似,并将多约束问题转化为单约束问题,然后利用两类变量统一考虑的离散变量结构形状优化设计的综合算法进行求解。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下,采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下, 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题,优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差,约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

超长桩竖向极限承载力预测与动力稳定性分析

应用突变理论建立了超长桩在竖向静荷载作用下的尖点突变模型,推导得到了超长桩的竖向极限承载力预测公式.在静荷载分析的基础上,引入动荷载,建立了超长桩在动静组合荷载作用下的双尖点突变模型,并对其动力稳定性进行了分析.动力分析表明:动静组合荷载作用下超长桩的振幅H、频率关系q与结构非线性系数a三者之间符合双尖点突变模型；超长...     

无泥型软弱怪带强度特性的动力学试验研究

对无泥型软弱层带在动荷载下的强度试验表明,天然含水状态下,软弱层带从静荷载至动荷载,显示出内聚力C减小幅度较大,而内φ反而有所增加;在饱水状态下,从静至动荷载,C和φ都将减小,但φ的降低幅度更大些。同时,在动荷载下,从天然含水至饱水状态,C和φ也均有较大幅度的降低,且仍以φ值降低更为显著些,这表明动荷载下产生的孔隙水压力对无泥型软弱层带强度参数的降低,也是很明显的。     

厚板结构抗爆炸分析的有限条法

所取厚板条考虑横向剪切变形和转动惯量,并取它的各阶振型为条向连续函数。在厚板条的横向,三个独立变量(挠度和二向转角)采用四次多项式。厚板条的质量矩阵计入转动惯量。用这种厚板条法分析厚板结构在爆炸荷载(或静荷载)作用下的动(静)位移和动(静)内力。给出不同模型的数值结果,并与解析解、有限元解进行比较,表明本文的方法用于厚板结构抗爆炸分析具有精度高、自由度少的特点。     

一种三维结构拓扑优化设计方法

采用传统的渐进结构优化方法进行复杂三维结构拓扑优化设计的迭代过程中,常在一些迭代步,结构上会出现少量小的孤立体,从而使得结构奇异,以致结构拓扑优化迭代无法进行,为了解决这个问题,首先,采用沿结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的措施,将结构拓扑优化模型近似等效地转变为一个非奇异结构拓扑优化模型,然后,针对各向同性和拉、压特性不同的所有材料结构,提出了一种三维结构拓扑渐进优化方法和相应的算法,最后,给出了几个典型和复杂的三维结构的拓扑优化设计算例．算例表明该方法是正确和有效的,且具有广泛的工程应用前景．     

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。     

基于等效静态载荷法的非线性动态拓扑优化

等效静态载荷法是目前解决动态拓扑优化问题的一种有效方法,但是由于未考虑塑性变形中应力应变关系的时效性,会导致等效载荷偏大和载荷方向偏差,因此无法有效处理材料的非线性问题.据此,提出一种基于模量比率因子的等效静态载荷计算方法.首先,根据结构应力、应变和杨氏模量之间的函数关系,计算各时刻的计算杨氏模量;然后,得到各时刻的模...     

Dynamic equivalence,self-equilibrated excitation and Saint-Venant’s principle for an elastic strip

The distinction between the near and far-fields for a semi-infinite, elastic strip has been exploited to derive conditions under which different dynamic excitations can be considered as equivalent. These different excitations are equivalent in the sense that they produce the same displacement field far from the excited end. It is shown that dynamically equivalent excitations degenerate to statically equivalent loads in the limit of a vanishing frequency. The no-radiation condition is derived, and its relation to self-equilibrated, dynamic and static loads is presented. Dynamically equivalent excitations are utilized to formulate a dynamic version of Saint-Venant’s principle for symmetric excitations with frequencies below the first cut-off frequency of a strip. It has been shown that the requirement of self-equilibrium of a load for the decay of end effects for static fields can be deduced from the requirement of zero average power for the dynamic fields.     

Dynamic buckling of discrete structural systems under combined step and static loads

The dynamic instability of discrete, elastic, multiple degree of freedom (d.o.f.) systems under a combination of static and step loads is studied. Conservative, autonomous and holonomic systems are considered, in which the associated static response is a bifurcation under one load parameter, and a limit point under the second parameter. A review of different criteria and algorithms obtained from them for the computation of dynamic buckling loads is first presented, followed by a procedure derived from previous investigations on one d.o.f. systems. The different procedures are applied to a two d.o.f. problem under axial and lateral load, with quadratic and cubic non-linearities. The response in time shows that the system oscillates about the static equilibrium position before dynamic buckling is reached, with the kinetic energy tending to zero as assumed in the static (energy) procedures of stability.     

多工况线性结构稳健拓扑优化设计

针对实际工程中存在的多工况、载荷不确定的情况, 研究了概率方法表示载荷不确定性的多工况线性结构稳健拓扑优化设计方法. 基于线弹性位移叠加原理给出了多工况、不确定性条件下结构柔度均值与方差的计算方法, 并在此基础上推导了结构灵敏度公式. 对于承受M个工况的二维结构, 根据每个工况下的柔度均值和方差以及灵敏度信息求出其结构整体的均值、方差及灵敏度信息;而结构在单工况n个不确定载荷下的均值方差及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移求得. 提出了以结构整体柔度均值和标准差的加权和最小为目标、体积约束下的稳健拓扑优化设计方法. 数值算例验证了所提方法的正确性和有效性以及载荷不确定、多工况条件下优化设计结果的稳健性. 该设计方法可以很方便的推广到三维结构问题.      

Toward more rational criteria for determination of design earthquake forces

The preliminary design of most buildings is based on equivalent static forces specified by the governing building code. The height wise distribution of these static forces seems to be based implicitly on the elastic vibration modes. Therefore, the employment of such a load pattern in seismic design of normal structures does not guarantee the optimum use of materials. This paper presents a new method for optimization of dynamic response of structures subjected to seismic excitation. This method is based on the concept of uniform distribution of deformation. In order to obtain the optimum distribution of structural properties, an iterative optimization procedure has been adopted. In this approach, the structural properties are modified so that inefficient material is gradually shifted from strong to weak areas of a structure. This process is continued until a state of uniform deformation is achieved. It is shown that the seismic performance of such a structure is optimal, and behaves generally better than those designed by conventional methods. By conducting this algorithm on shear-building models with various dynamic characteristics subjected to 20 earthquake ground motions, more adequate load patterns are introduced with respect to the period of the structure and the target ductility demand.     

The dynamic behavior of MEMS arch resonators actuated electrically

In this paper, we investigate the dynamic behavior of clamped-clamped micromachined arches when actuated by a small DC electrostatic load superimposed to an AC harmonic load. A Galerkin-based reduced-order model is derived and utilized to simulate the static behavior and the eigenvalue problem under the DC load actuation. The natural frequencies and mode shapes of the arch are calculated for various values of DC voltages and initial rises. In addition, the dynamic behavior of the arch under the actuation of a DC load superimposed to an AC harmonic load is investigated. A perturbation method, the method of multiple scales, is used to obtain analytically the forced vibration response of the arch due to DC and small AC loads. Results of the perturbation method are compared with those obtained by numerically integrating the reduced-order model equations. The non-linear resonance frequency and the effective non-linearity of the arch are calculated as a function of the initial rise and the DC and AC loads. The results show locally softening-type behavior for the resonance frequency for all DC and AC loads as well as the initial rise of the arch.     

板片空间结构初始缺陷的动力稳定性影响分析

对板片空间结构体系的研究大都局限于静力载荷工况,结构在动力载荷作用下的稳定性及失效特征研究仍相对缺乏．板片空间钢结构先天存在各样缺陷,而缺陷对结构稳定性的影响不可忽略．本文引入拉丁超立方法,结合Budiansky-Roth 准则,提出适用于求解含初始缺陷结构动力临界荷载的方法,对板片空间结构初始缺陷的动力稳定性开展研究．研究表明,相比于其它抽样方法,拉丁超立方法能显著减少样本数,有效提高计算效率．针对典型的板片空间结构,施加不同方向的阶跃荷载,分析了节点位置偏差缺陷、杆件截面尺寸缺陷以及板片厚度缺陷对板片空间结构临界承载力的影响．结果显示,节点位置偏差缺陷对该结构临界承载力影响最为显著,其它两类缺陷影响甚微．