平稳随机振动荷载识别的逆虚拟激励法（二）

本文将逆虚拟激励法（ＩＰＥＭ）用于求解平稳随机振动的荷载谱识别问题，已知部分结构应变（或部分应变及部分位移）响应的自谱与互谱，反求多点激励间的自谱与互谱。     

车辆-轨道系统垂向随机振动的辛方法分析

将轨道视为无限长的周期结构,建立车辆轨道垂向耦合模型. 使用虚拟激励法将随机的轨道不平顺激励转化为确定性的简谐激励,再用辛数学方法求解轨道结构的频率响应特性和耦合系统的响应功率谱. 整个计算模型只有26个自由度,求解过程快速而精确.数值算例中,将该方法与常规有限元方法进行了比较,验证了方法的高效性和正确性,讨论了车辆速度对系统随机响应的影响.      

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。     

基于虚拟激励法的大跨度桥梁非平稳随机振动分析闭合解

针对大跨度结构考虑地面空间运动的非一致地震响应分析问题,结合虚拟激励法,应用傅里叶分析建立了结构非平稳随机振动响应演变功率谱分析的频域方法。建立的方法完全基于频域执行,给出了响应演变功率谱的闭合解表达式。由于实现了确定性调制过程与随机过程的有效分离,应用离散傅里叶变换进行计算不需要较高的采样分析频率就可以获得较好精度的数值结果。数值算例研究了某斜拉桥的考虑地面运动空间效应非平稳随机地震响应,与通常时频分析方法进行对比,验证了本文频域方法的正确性和有效性。     

风致复杂结构随机振动分析的一种快速算法——谐波激励法

传统完全二次型组合(CQC)在计算复杂结构随机振动响应时存在计算量巨大的问题,尽管虚拟激励法(PEM)在确保计算精度和CQC方法相同的基础上提高了计算速度,使得复杂结构随机响应的进行分析成真正应用于工程实际,但PEM需要对激励的谱矩阵进行分解,对于处理多点随机激励问题依然比较烦琐。本文从周期图方法计算随机信号功率谱密度出发,提出了一种不需要进行谱矩阵分解即可进行结构随机振动分析的快速算法——谐波激励法,它在理论上和CQC方法同样具有相同精度,计算速度要快于已有的方法,并且由于不需要直接计算激振力的功率谱密度矩阵,因而降低了对内存的需求,算例表明本文方法的有效性。文中对不同方法的适应性也进行了讨论。     

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

薄壁箱梁广义坐标法刚度矩阵的推导及应用

在符拉索夫广义坐标法初参数方程的基础上,推导出可用于均布扭转荷载作用下薄壁箱梁翘曲分析的刚度矩阵,该刚度矩阵具有较高的单元精度,可用于由较多薄壁箱梁组成的复杂结构的整体有限元分析。通过对广义坐标法刚度矩阵和乌曼斯基理论、修正乌曼斯基理论求得薄壁箱梁的位移和应力进行分析比较,为各方法在实际工程中的应用提供一定的参考。     

不平衡线性转子-轴承系统的非平稳地震激励响应分析

给出了受随机地震激励的线性转子-轴承系统动力响应的有效分析方法。应用虚拟激励法和数值积分法,采用Kanai-Tajimi地震模型,对一个四自由度非对称的刚性转子-轴承系统在地震激励和谐波激励联合作用下的位移响应、位移响应谱密度及响应时变方差进行了分析。讨论了不同转速对位移响应时变方差的影响和不同采样角频率对位移响应时变方差曲线的影响。     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

受控结构风振响应分析的广义虚拟激励法

基于复模态分析和虚拟激励法．提出了用于具有密集频率和非经典阻尼受控结构风振响应分析的广义虚拟激励法。该法可以考虑任意风谱和空间相关性以及模态耦合效应,且计算效率很高。不同于SRSS法．该算法包含了全部参振模态之间和全部激励点之间的相关性．在理论上是精确解。     

车桥系统非平稳随机振动的PEM-PIM算法

研究了车桥耦合系统受到路面不平激励而发生的非平稳随机振动.采用虚拟激励方法(PEM)将路面的竖向随机不平度精确地转化为一系列竖向简谐不平度的叠加,从而简化了运动方程的求解,在此基础上用精细积分法(PIM)的三种格式进行数值计算.这种基于虚拟激励法的精细积分(PEM-PIM)算法比通常的数值积分方法更真实地模拟了车辆作用力在时间域和空间域上的连续变化,也更精确地实施了数值积分.与广泛采用的Newmark方法比较,三种PEM-PIM格式处理这类问题时在分析精度和计算效率上都有显著的改善,而又各有特色.     

基于虚拟激励法的大跨桥梁抖振内力分析

桥梁抖振内力分析是大跨桥梁抗风设计中的一项重要课题。目前，通常采用等效静风荷载的方法来计算桥梁抖振内力。本文将虚拟激励法应用到桥梁抖振内力分析中来，考虑多模态耦合效应，建立了直接应用随机振动方法计算桥梁抖振内力的快速算法。最后，以主跨为628m的某大跨斜拉桥为例进行了多模态耦合抖振内力分析，结果表明：高阶模态的参与将使主梁抖振内力增大，主梁抖振内力的峰因子介于3．4至4．0之间。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

多自由度非线性随机参数振动系统响应分析的概率摄动有限元法

提出了一般概率摄动有限元法，并用以解决了具有向量值和矩阵值函数的多自由度非线性随机结构系统承受随机激励的响应分析问题，应用Kronecker代数，矩阵微分理论，向量值和矩阵值函数的二阶矩技术，矩阵摄动理论和概率统计方法系统地扩展了国际上通用的随机有限元法，随机变量和系统导数很方便地排列到二维矩阵中，得到了优美的数学表达式。     

Fully coupled flow-induced vibration of structures under small deformation with GMRES method

Lagrangian-Eulerian formulations based on a generalized variational principle of fluid-solid coupling dynamics are established to describe flow-induced vibration of a structure under small deformation in an incompressible viscous fluid flow. The spatial discretization of the formulations is based on the multi-linear interpolating functions by using the finite element method for both the fluid and solid structures. The generalized trapezoidal rule is used to obtain apparently non-symmetric linear equations in an incremental form for the variables of the flow and vibration. The nonlinear convective term and time factors are contained in the non-symmetric coefficient matrix of the equations. The generalized minimum residual （GMRES） method is used to solve the incremental equations. A new stable algorithm of GMRES-Hughes-Newmark is developed to deal with the flow-induced vibration with dynamical fluid-structure interaction in complex geometries. Good agreement between the simulations and laboratory measurements of the pressure and blade vibration accelerations in a hydro turbine passage was obtained, indicating that the GiViRES-Hughes-Newmark algorithm presented in this paper is suitable for dealing with the flow-induced vibration of structures under small deformation.     

Direct specturm analysis of the state space for random vibration of MDOF linear damped system

This paper proceeds from the general case of the unsymmetric linearized multi-degrees of freedom (MDOF) systems. By adopting the general complex modal theory of the state space, the response analysis for a system subjected to random excitation of the same source is carried out using as a kind of direct spectrum analysis method in frequency domain. With the input of power spectral density function given, the explicit expression of the power spectral density function matrix of the output response can be obtained. By taking Fourier inverse transform, the integrated expressions of the correlation function matrix and of the spectrum moment matrix are obtained. Comparing with the time domain method, this method enjoys the merit of visualization and avoids the procedure of transformation from the obtained response correlation function to be solved for the output spectrum utilizing Fourier transform. This paper has extended the application range of the traditional frequency domain analysis method. The mean square values and variety of statistical values can be obtained conveniently. This method and the time domain method are different in approach but equally satisfactory in their results. The project is supported by National Natural Science Foundation of China and National Education Commission Science Foundation of China     

Global interpolating meshless shape function based on generalized moving least-square for structural dynamic analysis

A global interpolating meshless shape function based on the generalized moving least-square (GMLS) is formulated by the transformation technique. Both the shape function and its derivatives meet the Kronecker delta function property. With the interpolating GMLS (IGMLS) shape function, an improved element-free Galerkin (EFG) method is proposed for the structural dynamic analysis. Compared with the conventional EFG method, the obvious advantage of the proposed method is that the essential boundary conditions including both displacements and derivatives can be imposed by the straightforward way. Meanwhile, it can greatly improve the ill-condition feature of the standard GMLS approximation, and provide good accuracy at low cost. The dynamic analyses of the Euler beam and Kirchhoff plate are performed to demonstrate the feasibility and effectiveness of the improved method. The comparison between the numerical results of the conventional method and the improved method shows that the proposed method has better stability, higher accuracy, and less time consumption.