简支梁非线性响应的三维路径积分法分析

采用基于Gauss-Legendre积分公式的三维路径积分法,分析了在过滤高斯白噪声激励下的简支梁非线性随机振动响应的概率密度函数;联立一阶滤波方程与简支梁一阶模态的振动模型,得到在过滤高斯白噪声激励下的简支梁随机振动模型,基于Gauss-Legendre积分公式的积分法和短时高斯近似法求解响应的概率密度函数值。结果表明,三维路径积分法计算值与蒙特卡洛模拟值符合良好,即使在尾部区域也符合良好。三维路径积分法比等效线性化法的计算精度更高。     

简支梁非线性响应的三维路径积分法分析

采用基于Gauss-Legendre积分公式的三维路径积分法,分析了在过滤高斯白噪声激励下的简支梁非线性随机振动响应的概率密度函数;联立一阶滤波方程与简支梁一阶模态的振动模型,得到在过滤高斯白噪声激励下的简支梁随机振动模型,基于Gauss-Legendre积分公式的积分法和短时高斯近似法求解响应的概率密度函数值。结果表明,三维路径积分法计算值与蒙特卡洛模拟值符合良好,即使在尾部区域也符合良好。三维路径积分法比等效线性化法的计算精度更高。     

三维路径积分法的积分区间以及子区间数目选取方法研究

对基于Gauss-Legendre公式的路径积分法在二维、三维模型上的运用进行了研究。以高斯白噪声激励下的附加集中质量块悬臂梁、单稳态、双稳态、三稳态能量收集器为例,采用路径积分法计算平稳或非平稳响应的概率密度函数解,重点研究了积分区间以及子区间数目的选取对于路径积分法计算精度和效率的影响,采用蒙特卡洛数值模拟法的计算结果作为标准值,与路径积分法计算的结果进行了对比。提出了先对积分区间以及子区间数目进行粗选,再根据粗选结果进行负反馈调节积分区间的方法,提高了路径积分法的计算精度。     

非高斯激励下带附加质量的悬臂梁响应研究

大多数悬臂梁的研究都是基于确定性振动分析或将外部激励假定为高斯过程,鲜少涉及非高斯激励。针对非高斯激励下带附加质量的悬臂梁的响应特征进行研究。首先,通过Lagrange方程建立考虑曲率非线性的悬臂梁振动方程;然后,通过指数多项式闭合法求解结构响应的概率密度函数,并分析了平均到达速率、激励强度及附加质量对结构响应的影响;同时分析了非平稳非高斯激励下非线性结构参数对响应的影响。计算结果表明,指数多项式闭合法与模拟解吻合很好,平均到达速率越大,结构响应的概率密度函数曲线收缩越明显。     

设置支撑的广义Maxwell阻尼器系统基于非平稳巴斯金谱的地震响应分析

对设置支撑的广义Maxwell阻尼器单自由度减震系统非平稳随机地震响应问题进行了系统的研究。首先,建立设置支撑广义Maxwell阻尼器的等效本构关系,将设置支撑广义Maxwell阻尼器转化为不带支撑的等效阻尼器;然后,采用传递函数法,直接在耗能结构原始空间上,获得减震系统在非零初始条件和任意激励下结构整体系统(含支撑和阻尼器的位移、速度以及受力,结构位移与速度)的时域瞬态响应精确解;最后,针对2种经典均匀调制四参数巴斯金谱地震激励,获得了减震系统的结构整体系统非平稳响应解析解。所获得的结构系统时域瞬态响应精确解和非平稳地震响应解析解,可为结构系统各构件建立抗震反应谱设计法和动力可靠度提供分析路径。     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题.对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应的精确解.遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解.事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解.因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径.本文针对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降维.针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程.建议了构造等价漂移系数的条件均值函数方法.进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答.结合单自由度Rayleigh振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精度和效率,验证了其有效性.     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题. 对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应 的精确解. 遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解. 事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解 则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解. 因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径. 本文针 对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降 维. 针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程. 建议了构造等价漂移系数 的条件均值函数方法. 进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答. 结合单自由度Rayleigh 振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精 度和效率,验证了其有效性.      

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.      

随机激励下滞迟系统的稳态响应闭合解

滞迟系统属于一类典型的强非线性系统,滞迟力不仅取决于系统的瞬时变形,还与变形历程有关.虽然滞迟系统的随机振动问题已被广泛研究,但至今尚未得到滞迟系统随机响应概率密度函数的精确闭合解.本文运用迭代加权残值法获得了高斯白噪声激励下Bouc-Wen滞迟系统稳态响应概率密度函数的近似闭合解.首先,运用等效线性化法求出系统的稳态高斯概率密度函数;然后以此构造权函数,应用加权残值法求得了系统指数多项式形式的非高斯概率密度函数;最后引入迭代的过程,逐步优化权函数,提高计算所得结果的精度.以随机地震激励下钢纤维陶粒混凝土结构的稳态响应作为算例,其中Bouc-Wen模型的参数是基于拟静力学试验数据,并应用最小二乘法辨识获得.与Monte Carlo模拟结果相比,等效线性化法得到的结果精度较差;由加权残值法得到的结果能够表现出非线性特征,但其精度依然无法令人满意;采用迭代加权残值法得到的近似闭合解与Monte Carlo模拟的结果吻合非常好;对于较强随机激励情形,采用渐进迭代加权残值法具有较高的求解效率,所获得的理论解析解具有较高的精度.结果表明,所获得的近似闭合解不仅对于土木工程领域具有重要的实际应用价值,而且还可作为检验其他非线性系统随机响应预测方法的精度的标准.     

泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解

自然界与工程中都普遍存在着随机扰动,且大多数呈现出固有的非高斯性质,若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差.泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型,已引起了广泛的关注.目前,泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究,而针对瞬态响应的求解难度仍较大,需进一步发展.本文引入径向基神经网络,提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法.首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK)方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络;然后采用有限差分法离散时间导数项,并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数;最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数.作为算例,探究了两个经典强非线性系统,并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证.结果表明:本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好,并且算法具备较高的计算效率.在系统响应的整个演化过程中,本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征.此外,本文方法所获得的高精度半解析瞬态解,不仅可作为基准解检验其...     

确定性载荷作用下Timoshenko薄壁梁的弯扭耦合动力响应

建立了一种普遍的解析理论用于求解确定性载荷作用下Timoshenko薄壁梁的弯扭耦合动力响应。首先通过直接求解单对称均匀Timoshenko薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动偏微分方程，给出了计算其自由振动的精确方法，并导出了Timoshenko弯扭耦合薄壁梁自由振动主模态的正交条件。然后利用简正模态法研究了确定性载荷作用下单对称Timoshenko薄壁梁的弯扭耦合动力响应，该弯扭耦合梁所受到的荷载可以是集中载荷或沿着梁长度分布的分布载荷。最后假定确定性载荷是谐波变化的，得到了各种激励下封闭形式的解，并对动力弯曲位移和扭转位移的数值结果进行了讨论。     

悬索的多重内共振研究

本文对谐波激励的悬索的非线性响应进行了研究,同时考虑了如下问题(1):面内第三阶对称模态的主共振:(2):面内第一阶、第三阶对称模态和面外第五阶模态之间的内共振.本方首先针对考虑大变形的悬索动力学方程,由线性理论求得各阶频率,考察可能出现的内共振.然后利用直接法对悬索的运动学方程和边界条件进行非线性求解.由多尺度法得到系统的平均方程和悬索响应的二阶近似解.随后利用Newton-Raphson 方法和弧长法对特定张拉索进行数值仿真计算,得到面内第一阶对称模态、面内第三阶对称模态和面外第五阶模态的稳态解,并分析了解的稳定性.绘制幅频响应曲线,发现了关于悬索响应的多种分叉现象,并且对各种分叉现象周期解、混沌解进行了讨论.     

结构非平稳随机响应分析的快速虚拟激励法

虚拟激励法能够方便地应用于结构非平稳随机响应分析,但在每个离散频点处都涉及到虚拟激励作用下动力方程的时程积分,对于大型复杂结构,其计算量是难以接受的。将结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对状态方程进行数值求解,导出了结构动力响应关于离散时刻处激励的显式线性表达式。利用这一显式表达式,只需要变换离散时刻处的激励数值,就可以方便快捷地求出新的激励作用下的结构动力响应。效率分析和数值算例表明,相对于传统虚拟激励法,本文提出的改进算法在求解非平稳激励下结构随机振动方面具有更高的计算效率。     

悬索在考虑1:3内共振情况下的动力学行为

研究了悬索在受到外激励作用下考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内悬索的弹性-几何参数而言,悬索的第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态固有频率的三倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动得到主共振情况下的平均方程.接下来对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究.最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应.     

冲击减振系统的概率密度函数

研究冲击减振系统受Ｇａｕｓｓ白噪声激励，提出新的力学模型，从随机微分方程出发，在随机到达率是常数的情况下，得到主振体位移、速度响应的二维联合概率密度函数抽满足的二阶偏微分方程并求出概率密度函数精确解。     

行波效应下结构非平稳随机地震峰值响应分析

地震运动在本质上是非平稳随机过程。对于一个典型的地震记录,如果地震平稳段持续时间较短,采用非平稳随机过程描述其地震动特性较为合理。目前被最广泛接受的地震非平稳随机振动模型是演变随机激励模型。本文将虚拟激励法和精细积分法相结合,高精度计算了结构在这种随机地震激励下的时变均方根响应,并等效转化为相应的平稳随机过程后进行结构峰值响应计算。不仅考虑了激励的非平稳性,同时高效精确地考虑了结构的动力特性和地震行波效应。能够方便地应用于大型复杂结构,特别是为大跨度桥梁抗震分析提供了高效的计算手段。实际结构算例表明平稳假设会得到偏于保守的结果。当阻尼比较小时,这种差别会更明显。采用非平稳激励模型,显然更为合理;采用本文提出的方法可以很方便地处理这类问题。     

带位移偶次方项非线性随机振子在位移参数激励下的概率解

论文用指数多项式闭合或EPC(Exponential Polynomial Closure)法分析了具非零均值响应的带位移偶次方项非线性随机振子在参数激励下响应的概率密度函数解.给出了求解过程并通过算例分析验证了指数多项式闭合法在此情况下的有效性.数值结果显示,指数多项式闭合法得到的响应概率密度结果与蒙特卡洛模拟的结果符合较好,尤其是在对系统可靠性分析起主要作用的概率密度函数尾部区域符合很好.     

斜拉桥拉索在轴向窄带随机激励下的振动响应

导出了拉索在考虑垂度以及索张力沿索长变化时的参激随机微分方程,进一步给出了预测拉索在窄带随机激励下响应的近似理论解------用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解. 以南京长江二桥约330米长的A20拉索为研究对象,对以上高斯闭合解和一阶非高斯闭合解进一步进行数值求解以获得拉索的响应,并采用Monte-Carlo数值方法对求解进行验证. 分析了拉索振动的一般特征,特别分析了激励中心频率和拉索频率比为1和2时的响应随激励带宽的变化特征,得到了一些新的结论.      

考虑塔梁影响的斜拉索随机激励参数振动分析

为了揭示随机激励下斜拉索参数振动特性,考虑塔、梁协同振动的影响,建立了高斯白噪声激励下斜拉索-桥塔-桥面梁耦合振动微分方程,推导了耦合体系的伊藤状态方程组,采用Milstein-Platen法构造了斜拉索振动时程求解迭代格式,研究了斜拉索振动的时程、统计和频域特性,分析了桥塔侧向扶正作用、激励强度和索塔梁初始位移对拉索振幅产生的影响．结果表明：随机激励下斜拉索振动呈现出双“拍”振现象,“拍”幅值和周期具有随机性;拉索随机位移均值、均方差在振动初期具有长时间的非平稳特性;拉索响应幅值对应的频率和拉索功率峰值对应的频率基本一致,但随机激励下的拉索幅值和功率峰值更大;拉索振动概率密度曲线满足高斯分布和马尔科夫性质;桥塔侧向扶正作用越强,拉索振幅越小;激励强度越小,拉索振幅越小;各结构初始位移越大,拉索振幅越大,且对桥面梁初始位移越敏感．     

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。