结构动力非线性随机反应的联合概率分布

在密度演化理论基本思想的框架下,对广义密度 演化方程进行推广,导出了结构不同反应量的联合概率密度函数演化方程. 结合确定性结构 非线性动力反应分析与二维偏微分方程求解的有限差分方法,可以获取结构不同反应量的联 合概率密度函数的数值解答. 分析实例表明：结构反应的联合概率密度函数呈丘陵状不规则 分布,而不同反应量之间的相关系数是时变的.     

薄壁圆筒壳初始几何缺陷不确定性量化的极大熵方法

针对薄壁圆筒壳结构轴压屈曲载荷的缺陷敏感性以及真实几何缺陷的不确定性,提出一种基于实测缺陷数据和极大熵原理的初始缺陷建模与屈曲载荷预测方法。首先,将初始几何缺陷视为二维随机场,并利用实测缺陷数据和Karhunen-Loève展开法将初始缺陷的随机场建模转化为随机向量的建模;其次,利用极大熵方法确定随机向量的概率分布;最后,基于所构建的初始缺陷随机模型,利用MCMC抽样方法和确定性屈曲分析方法,进行随机屈曲分析并给出基于可靠度的屈曲载荷折减因子。数值算例表明,与直接假设随机场相关结构的方法相比,本文方法的结果是对薄壁圆筒壳屈曲载荷的一个更无偏估计。     

Reliability analysis of FRP laminated plates with consideration of both initial imperfection and failure sequence

A probabilistic progressive failure analyzing method is applied to estimating the reliability of a simply supported laminated composite plate with an initial imperfection under bi-axial compression load. The initial imperfection and the strength parameters are considered as random variables. Ply-level failure probability is evaluated by the first order reliability method (FORM) together with the Tsai-Wu strength criterion and Tan criterion. Current stresses in the laminated structure are calculated by the classical lamination theory with the stiffness modified based on the last step ply failure. Probabilistically dominant ply-level failure sequences leading to overall system failure are identified, based on which the system failure probability is estimated. A numerical example is presented to demonstrate the methodology proposed. Through parameter studies it is shown that the deviation of the initial imperfection and some of the strength parameters largely influence the system reliability. Project supported by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars, State Education Ministry, and the Research Foundation of Huazhong University of Science and Technology.     

Contrasting probabilistic and anti-optimization approaches in an applied mechanics problem

Probabilistic and non-probabilistic, anti-optimization analyses of uncertainty are contrasted in this study. Specifically, the comparison of these two competing approaches is conducted for an uniform column, with initial geometric imperfection, subjected to an impact axial load. The reliability of the column is derived for the cases when the initial imperfections posses either (a) uniform probability density, (b) truncated exponential density or (c) generic truncated probability density. The problem is also analyzed in the context of an interval analysis. It is shown that in, the most important near-unity reliability range these two approaches tend to each other. Since the interval analysis constitutes a much simpler procedure than the probabilistic approach, it is argued that the former is advantageous over the latter in some circumstances.     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用,这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中,然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰.本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例,开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究.基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型,构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型.给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程,并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解.基于三维Voronoi技术,建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟.通过与有限元模拟结果的对比发现,相较于经典的脉冲加载模型,耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律,也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强.当泡沫子弹的初始动量相同时,由于子弹自身的压溃行为,子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响.最后,通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略.所构建的耦合分析模型为研究泡沫...     

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。     

基于摄动法分析重力坝损伤的概率密度演化过程

提出了一种对重力坝进行损伤概率演化过程分析的方法.首先,使用虚拟激励法和Mazars损伤模型分析了初始迭代过程中,在坝体在确定性静力荷载和随机的地震荷载激励下的重力坝损伤因子期望值与方差的计算;然后基于摄动法分析了在其余迭代过程中,重力坝损伤因子的概率密度演化过程.最后,给出了实例分析,并分析了坝体的损伤分布情况以及本文方法的收敛性与稳定性.     

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。     

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．     

Non-linear stability analysis of imperfect thin-walled composite beams

The static non-linear behavior of thin-walled composite beams is analyzed considering the effect of initial imperfections. A simple approach is used for determining the influence of imperfection on the buckling, prebuckling and postbuckling behavior of thin-walled composite beams. The fundamental and secondary equilibrium paths of perfect and imperfect systems corresponding to a major imperfection are analyzed for the case where the perfect system has a stable symmetric bifurcation point. A geometrically non-linear theory is formulated in the context of large displacements and rotations, through the adoption of a shear deformable displacement field. An initial displacement, either in vertical or horizontal plane, is considered in presence of initial geometric imperfection. Ritz's method is applied in order to discretize the non-linear differential system and the resultant algebraic equations are solved by means of an incremental Newton-Rapshon method. The numerical results are presented for a simply supported beam subjected to axial or lateral load. It is shown in the examples that a major imperfection reduces the load-carrying capacity of thin-walled beams. The influence of this effect is analyzed for different fiber orientation angle of a symmetric balanced lamination. In addition, the postbuckling response obtained with the present beam model is compared with the results obtained with a shell finite element model (Abaqus).     

Dynamic buckling mode of an elastic bar

The conception of buckling relative initial imperfection is presented in this paper. According to Boulli-Euler beam equation, the dynamic buckling mode of an elastic bar under the homogeneous boundary conditions can be derived by applying the preferred mode analytical method. As an example, the dynamic buckling mode of an elastic bar clamped at both ends is discussed.     

梁式结构受移动荷载作用非平稳随机振动的DQ-PEM方法

针对梁式结构受移动荷载作用的非平稳随机振动问题,提出了一种综合利用微分求积法和虚拟激励法DQ-PEM的新方法。梁式结构受移动荷载作用的振动控制方程为含Dirac函数的偏微分方程,利用微分求积(DQ)-积分求积法(IQ)法将其振动控制方程转化为不含Dirac函数的常微分方程。同时,将表示荷载位置变化的Dirac函数视为移动荷载的非平稳化函数,再结合虚拟激励法的思想,可得梁式结构在确定性荷载作用下的虚拟响应,进而得到其非平稳随机响应。通过工程算例验证了该方法的准确性与有效性,并进一步讨论了不同速度和不同边界条件下梁式结构受移动荷载作用的随机振动问题。     

一般大气环境下锈蚀钢筋混凝土梁的时变可靠度分析

根据一般大气环境下锈蚀钢筋混凝土梁中的钢筋截面损失时变模型和抗剪、抗弯承载力退化模型,建立了考虑其随机性的极限状态方程。基于概率守恒原理分析得到满足该极限状态方程的概率密度演化方程,并引入吸收边界条件,提出了梁时变可靠度的计算方法。以受对称集中荷载的锈蚀钢筋混凝土简支梁为例,展示了目标函数的概率密度演化过程,并讨论了配置不同直径箍筋和不同厚度保护层时的时变可靠度。结果表明,在保证梁具有足够初始抗剪强度和抗弯强度的前提下,适当增大保护层厚度和箍筋直径(具有相同配箍率)能延缓混凝土构件力学性能的退化。通过和100万次蒙特卡洛模拟结果的对比可知,选用本文方法能在以付出较小计算代价的前提下,获得计算精度良好的分析结果。     

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。     

一定初缺陷杆在轴向冲击下弹塑性动态屈曲有限元计算

本文用有限元方法分析了一定初缺陷杆受轴向冲击的弹塑性动态屈曲。由变形功相关的屈曲判据求出屈曲时间,计算了初缺陷及冲击载荷形状和大小对屈曲时间的影响。     

On a probabilistic stability theory for imperfection sensitive structures

The concept of almost sure sample stability and sample stability in probability are formulated for elastic systems. Using a Koiter type approach these concepts are used in the analysis of imperfection sensitive structures. The applied load and the initial geometric imperfections are introduced into the analysis as random quantities. A compressed beam of finite length on a nonlinear elastic foundation is used in an example calculation.     

线性随机结构在随机激励下动力响应分析

利用虚拟激励法对随机结构正交展开理论进行扩展,并在Ritz向量子空间中对扩阶系统方程进行动力聚缩,提出了一类可以快速高效地进行线性随机结构复合随机振动分析的计算方法．算例分析表明,该法可以方便地分析随机结构在平稳或非平稳随机激励下的复合随机振动问题,且分析结果与 Monte Carlo模拟分析结果符合良好;与均值参数确定性结构传统随机振动分析计算结果相比,随机结构在相同随机激励下响应自谱密度曲线具有峰值降低、谱宽增大的特点．     

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

Dynamic reliability analysis of a cantilever beam during a deterioration process

Considering deterioration process of a beam structure subjected to cyclic load, the reliability and sensitivity analysis is presented. Gamma process is introduced to describe the deterioration of properties and the accuracy of the model is verified by experiments of structures under cycle load. A set of experiments is designed to investigate the deterioration process of the beam under cycle load. For arbitrarily distributed random material and geometric variables, the stochastic perturbation method and Edgeworth series are used to approximate the statistical characteristics of vibration and failure probability. Monte Carlo simulation is employed to show the validity of the method proposed. Additionally, the effects of material and geometric parameters are discussed to provide important information for design and use of beam structures.