非线性动力方程的精细时空有限元方法

根据Hamilton变作用定律构造了时空有限元矩阵;并根据传递矩阵原理,利用时间的一维性将时空有限元矩阵变换为时间方向的传递矩阵,将初值问题转化为一般矩阵相乘问题以方便求解。为了保证计算的稳定性,参考了精细积分的思想提出精细时空有限元方法,并给出线性问题在时间级数荷载作用下的计算式。数值分析结果证明该方法在线性问题分析上非常准确并可以推广到非线性动力方程的求解;只需将非线性解看作初始解和增量解的叠加,通过精细时空有限元线性求解方法计算增量解,逐步修正后即可得到非线性解。结果表明该方法是一个有效的求解非线性动力方程的方法。     

考虑频变阻尼的黏弹性阻尼层板结构模态分析方法

结构动力中的模态分析可归结为数学上矩阵特征值问题的求解。研究了一种求解有限元非线性特征值问题的数值方法,即RSRR,该方法通过对系统矩阵逆矩阵的采样,构造可靠的特征空间用于非线性特征值问题的求解,比现有基于围道积分的非线性特征值解法稳定性更好、精度更高。采用基于Layerwise离散层理论的Layerwise板单元建立黏弹性阻尼结构有限元模型比混合单元建模方法简单方便,结合Layerwise板单元建模方法,将RSRR拓展应用于黏弹性阻尼结构的模态分析,算例结果表明RSRR求解精度高、稳定性好,是黏弹性阻尼结构模态分析的有效数值方法。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

力-变位关系全过程模拟的有限元位移控制新方法

材料、构件及结构的力-变位关系非线性全过程曲线有限元数值模拟中,极限强度和其后的软化下降段模拟一直是未得到较好解决的难题。位移增量控制法可以方便跨越力-变位关系中的极值点,因此它常被用于求解材料、构件及结构包含极限强度后软化下降段的力-变位关系非线性全过程曲线。但是,传统的位移增量控制法需要重新排列有限元方程的刚度矩阵,并存在求解非对称和非带状系数方程的问题,因而限制了其推广应用。该文提出了求解材料、构件及结构的力-变位关系非线性全过程曲线的一种新的位移增量控制方法,该方法通过修改刚度矩阵中相关对角系数的方式,将边界和力作用点的控制位移条件隐含到有限元方程中,从而可以采用有限元荷载控制方法同样的方式进行求解,保证了有限元方程系数矩阵在求解过程中的对称性和带状性,并可方便地在现有通用商业有限元软件中实现。算例分析表明了该文方法的有效性。     

一种求非线性振动系统周期解的切比雪夫级数方法

将切比雪夫级数理论和非线性优化算法结合,提出了一种求非线性振动系统周期解的方法。本方法将状态矢量中未知切比雪夫系数的求解,转化为对主周期上系统残差求最小值的无约束最优化问题,计算出了具有较高精度的切比雪夫级数周期解。所得周期解可通过积分运算直接求得系统的Floquet转移矩阵,从而分析周期解的稳定性。最后,以Duffing系统方程和直升机旋翼系统运动方程为例,验证了本方法正确、有效,也证明了将切比雪夫级数理论引入直升机气动弹性响应与稳定性研究正确可行。     

水下发射装置非线性冲击响应分析及减振器参数优化

水下弹体连续发射时,会导致振动叠加问题,同时随着发射装置中剩余弹体数目减少和纵向减振器锁死,系统的质量、刚度发生突变,必需采用非线性方法进行冲击响应分析。将水下发射装置简化为多自由度非线性时变系统,根据牛顿第二定律建立了系统运动方程,其中系统质量、阻尼、刚度及外载荷矩阵均随时间变化,随后基于NewMark直接积分法求解了系统非线性冲击响应。最后给出数值算例,通过比较该方法和有限元建模得到的动力学响应,验证了该方法的准确性,并对系统冲击响应特性进行分析。在此基础上,提出了系统纵向减振器刚度、阻尼参数的优化方法,研究结果为发射装置减振器设计和参数优化提供高效分析手段,具有重要工程意义。     

Cahn-Hilliard方程的时间双层网格有限元方法

针对用非线性数值格式求解Cahn-Hilliard方程时由非线性迭代引起的耗时问题,本文提出了一种时间双层网格(TT-M)有限元(FE)方法.该方法分为两步:第一步,在粗的时间步长上求解非线性Cahn-Hilliard系统,其中空间离散采用有限元方法,时间离散采用Crank-Nicolson格式;第二步,在细的时间步长上求解线性系统,然后证明了该方法的稳定性和误差估计,并通过数值算例对理论部分进行验证.结果表明,与传统的Galerkin有限元方法相比,该方法可以节省计算时间,说明了该方法的有效性和可行性.     

横向风荷载作用下轴向运动弦线自激振动和稳定性分析

研究了横向定常风荷载作用下轴向运动弦线的非线性自激振动问题。将风荷载模型化为平均风速的非线性函数,建立动力学微分方程。采用Galerkin方法,将运动弦线简化为离散的二维系统并进行线性化,分析弦线平衡构型的稳定性,根据Routh-Hurtwitz判据确定了平衡点的稳定域。确定了多参数下Hopf分岔点及产生稳定极限环的条件。使用增量谐波平衡(IHB)法求解了自激振动的周期响应,按照Floquet理论确定了周期解的稳定性。最后,讨论了运动速度和平均风速稳定性的影响,并给出相应的稳定性条件。     

非平稳激励下绝对位移直接求解非线性结构的时频分析EI北大核心CSCD

强震作用下地震动能量的时-频演变特性对迟滞非线性的结构有着极大影响,然而通用有限元软件现有的计算模块进行频域分析时不能对非线性结构输入解耦的EPSD矩阵,限制了随机振动理论对大型复杂结构的仿真计算。将绝对位移直接求解的虚拟激励法引入多维多点的非线性动力方程,通过APDL的外部程序调用接口对非平稳地震动EPSD矩阵进行解耦与降维处理,并转化为独立于时间变量的四维均匀调制激励矩阵,实现对非线性结构精确高效的非平稳激励动态输入与随机动力响应的计算求解。最后以一座中承式三跨钢管混凝土系杆拱桥为例,计算拱肋、拱脚和桥面系响应的时变功率谱及方差。结果表明,绝对位移直接求解的激励输入方式很好地模拟了非线性结构体系所带来的时滞现象,为通用有限元软件实现非线性结构多维多点非平稳激励随机响应的求解与分析提供了可行性依据。     

地震动输入方法研究

为探讨直接求解法、相对运动法、大质量法和等效荷载法四种地震动输入方法的差别,对四种地震动输入方法的机理进行了分析,结果表明:直接求解法是通过直接求解结构在多点激励作用下的动力学平衡方程来获得结构响应的方法;相对运动法将结构响应分成(拟)静力响应和动力响应,可用于一致激励下结构的线性和非线性反应分析;大质量法是一种简化计算方法;等效荷载法将地面运动用等效力代替,只能用于一致激励情况。给出的线性与非线性分析数值算例也验证了一致激励情况下,在不考虑结构响应的时滞效应,以及结构阻尼处于常用阻尼(阻尼比0.02―0.05)范围内时,除在非线性时间历程分析的中后期,等效荷载法与直接求解法、大质量法计算的结构响应有一定的偏差外,上述各种方法计算的结构响应保持较好的一致性。考虑到一般的建筑结构在罕遇地震下并不会全面进入塑性,三种方法的计算结果应该都是比较可靠的。     

基于桁架单元的能量一致积分方法

基于能量平衡理论,提出针对桁架单元的能量一致积分方法。该方法具有非线性无条件稳定性,2阶精度。利用中值定理证明算法参数的存在性,并给出参数的求解形式。对离散后的动力方程线性化得到用于迭代的等效刚度矩阵。实现新算法在非线性有限元程序中的嵌入,并以此为基础完成单摆、输电塔体结构的非线性动力分析。数值结果表明,经典的平均加速度方法与隐式中点方法均会表现出能量不一致现象,甚至会产生发散结果;相比而言,该文方法在不同的时间步长情况下都表现出良好的数值稳定性。     

土木工程结构非线性计算分析研究进展EI北大核心CSCD

非线性行为分析是探究土木工程结构在极端环境荷载作用下的灾变机理和薄弱部位、预测结构极限承载能力的有效手段,在结构设计与性能评价方面已变得必不可少,高效、稳定、精确的非线性分析理论和求解技术一直是土木工程结构分析领域的研究热点。该文对结构非线性分析的基本发展过程进行了简要回顾,并重点对目前常用的非线性有限元分析方法的基本原理和研究进展进行了综述;围绕土木工程结构,总结了结构非线性分析方法在计算精度、稳定性、效率等方面的若干关键问题及相关研究进展,包括高效非线性分析法-隔离非线性法,并综述了该方法的最新研究进展。     

智能板动荷载监测的压电单元模态法

基于对智能层合板结构的模态分析,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程,构造了通过结构的模态响应反求荷载列阵的迭代算法。该方法作为动态激励的压电模态响应易于实时监测,迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度较高,适用于任意形状和边界条件的复杂型智能结构。实例表明了该方法的可行性。     

基于形函数方法快速识别结构动态荷载的试验验证

在动态荷载识别中常常由于矩阵的病态性影响识别的精度,利用有限元理论中的形函数逼近荷载曲线,将识别离散的荷载历程转化为计算有限的形函数权重,从而显著改善反卷积法识别荷载中存在的采样时间长或采样频率高时数值求解困难的问题;并能改善反问题的病态性,提高对噪音的鲁棒性。一个连续梁的数值算例比较验证了该方法在5%的高斯噪声影响下能精确地识别未知荷载。悬臂梁试验中,通过实测的结构动态响应,在移动时间窗内利用荷载形函数方法可以实现激励的在线识别。     

压电智能结构冲击荷载谱的反演方法

基于对智能层合板结构的模态分析，提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理，并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程，构造了通过结构的模态响应直接反求荷载列阵的迭代算法。该方法迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度高，适用于任意形状和边界条件的复杂智能结构。实例表明了该方法的可行性。     

基于Woodbury非线性方法的迭代算法对比分析

在结构局部非线性求解过程中,刚度矩阵仅部分元素发生改变,此时切线刚度矩阵可写成初始刚度矩阵与其低秩修正矩阵和的形式,每个增量步的位移响应可用数学中快速求矩阵逆的Woodbury公式高效求解,但通常情况下迭代计算在结构非线性分析中是不可避免的,因此迭代算法的计算性能也对分析效率有重要影响。该文以基于Woodbury非线性方法为基础,分别采用Newton-Raphson （N-R）法、修正牛顿法、3阶两点法、4阶两点法及三点法求解其非线性平衡方程,并对比分析5种迭代算法的计算性能。利用算法时间复杂度理论,得到了5种迭代算法求解基于Woodbury非线性方法平衡方程的时间复杂度分析模型,定量对比了5种迭代算法的计算效率。通过2个数值算例,从收敛速度、时间复杂度和误差等方面对比了各迭代算法的计算性能,分析了各算法适用的非线性问题。最后,计算了5种算法求解基于Woodbury非线性方法平衡方程的综合性能指标。     

考虑刀杆结构非线性的铣削过程颤振稳定性与主共振

研究考虑铣刀杆结构非线性和阻尼的颤振稳定性以及主共振。将刀杆简化为平面弯曲悬臂梁结构模型。为了在模型中考虑结构阻尼的影响,假定刀杆由黏弹性材料构成。结合包含再生时滞效应和周期激励的切削力模型,根据Hamilton原理建立非线性运动方程。采用Galerkin法将非线性偏微分运动方程进行化简,导出主坐标表示的非线性常微分运动方程。通过时域数值积分得到铣削系统的稳定性lobes图。采用多尺度法对非线性常微分运动方程进行摄动求解,导出非线性切削系统在周期激励下的主共振响应的近似封闭解。研究刀杆的几何尺寸、结构阻尼、切削力系数、切削深度、齿数和切削力幅值等参数,对铣削过程非线性lobes图以及主共振响应曲线的影响。结果表明,增加刀杆的长度或者降低铣削过程的临界切削深度;切削力系数越大,临界切削深度越小;增加结构阻尼能够明显提高铣削过程的颤振稳定性;主共振响应峰值向右偏斜,由于切削系统存在三次刚度非线性,主共振响应曲线表现出典型的硬弹簧Duffing振子的特性,出现跳跃性和多值区域。     

铸造材料伸缩尾翼气动载荷下接触问题的分析与研究

采用有限元技术,应用MSC仿真软件分析铸造材料伸缩结构尾翼在弹道飞行过程中气动载荷矩阵作用下的接触应力问题.通过建立计算模型,施加边界条件及启动接触非线性求解器进行求解,得到尾翼三维结构下的位移和应力情况,该种MD Nastran隐式非线性求解器SOL600计算方法能够充分模拟实际三维结构的接触问题.     

非线性动力分析的广义精细积分法

针对非线性动力状态方程=H·v+f(v,t),结合广义精细积分法和预估-校正法,提出了用于非线性动力分析的广义精细积分法。在任一时间子域内,对计算过程中待求的vk+j/m(j=1,2,…,m),利用当前时刻的vk进行预估。将离散的非线性项用拉格朗日插值多项式展开并视为外荷载,结合广义精细积分法即可求解非线性系统的动力响应。该方法计算格式统一,易于编程,与四种单步法、一次预-校法及预估校正-辛时间子域法进行数值比较,计算结果表明,该方法具有很高的精度、稳定性及较高的效率。可用于多自由度结构体系的非线性动力反应分析。     

基于完全概率的随机桁架结构动力响应分析

提出了一种求解随机桁架结构在随机荷载作用下动力响应概率密度函数的方法.通过对随机参数桁架结构的有限元分析,获得了结构的质量阵与刚度阵,利用振型迭加法导出了结构的物理参数、几何参数、外荷载幅值及频率同时具有随机性时,结构动力响应随机变量的表达式,应用随机向量函数的概率分布函数表达式,通过逐步求解的策略,获得结构动力响应的概率密度函数.算例结果与Monte-Carlo模拟法结果比较表明,该方法具有较高的精度及效率.