基于多体系统传递矩阵法和遗传算法的一种物理参数识别方法

将多体系统传递矩阵法与遗传优化算法相结合,形成了一种新的基于多体系统传递矩阵法和遗传算法的物理参数识别方法(MS-TMM&GA).应用多体系统传递矩阵法进行动力学建模以及固有振动特性分析.将参数识别问题转化为优化问题,结合遗传算法,对由系统固有频率和增广特征矢量构造的目标函数全局最小值优化求解.给出了通过系统模态参数识别物理参数的计算步骤以及流程图.通过两个数值算例,表明了该方法的可行性及有效性.该方法对多体系统传递矩阵法和遗传算法进行了结合与拓展,无需建立复杂多体系统的总体动力学方程,涉及矩阵阶次低,即可快速获得高精度的优化计算结果.     

刚柔耦合多体系统的冲击响应分析方法及应用研究

利用多体系统传递矩阵法建立了刚柔耦合多体系统的动力学模型,并且将冲量模型和碰撞接触模型与多体系统传递矩阵法结合,提出了基于传递矩阵法的刚柔耦合多体系统的冲击响应分析方法。根据柯西方程推导出系统中的柔性梁在冲击载荷作用下的冲击应力分布公式。以某型汽车起重机为例分析了在起吊过程中的冲击载荷特点,计算了该刚柔耦合多体系统的冲击响应及柔性梁的冲击应力分布规律,并与试验结果对比,证实了该方法的正确性。     

计算多体系统动力学中引入多体系统离散时间传递矩阵法的混合算法研究

以复杂机械系统动力学建模为研究背景,在计算多体动力学和多体系统离散时间传递矩阵法的理论基础上,论述了这两种方法动力学建模与分析的特点;在此基础上,提出了在计算多体动力学中混合多体系统离散时间传递矩阵法的算法,并论述了使用该算法对机械系统进行动力学建模及分析的过程。该算法适合于对复杂机械系统进行动力学建模及分析,并且易于使用计算机应用软件实现。以某典型机械连接结构为算例,通过该算法进行建模与分析,论证了该算法的可行性,也表明该算法的优点。     

受控柔性机械臂动力学建模仿真

针对链式反馈受控多体系统,建立了反馈控制的通用处理方法,构造了相应的控制元件,建立了受控多体系统离散时间传递矩阵法.该方法无需建立系统总体动力学方程,计算速度快、建模灵活,相比于其他动力学方法更利于对复杂受控多体系统的动态设计和实时控制.采用PD控制和基于压电激励器的模态速度反馈控制,分别建立了柔性机械臂系统相应的传递矩阵,应用文中方法实现了对柔性机械臂轨迹跟踪和振动主动控制,仿真结果表明了该方法的有效性.     

自行火炮固有频率相关性分析的Monte Carlo传递矩阵法

为进行大型振动系统固有频率相关性分析,提出了基于多体系统传递矩阵法的Monte Carlo传递矩阵法.该方法将振动系统结构参数看作随机变量,通过Monte Carlo法得到其多个样本,通过多体系统传递矩阵法计算得到各组样本下的固有频率,再分析设计变量与固有频率之间的相关性系数和检验统计量,进行大型振动系统固有频率和结构参数之间的相关性分析.该方法无须求导运算,无需改变现有固有频率求解程序即可进行相关性分析.将该方法用于求解某自行火炮系统的固有频率,计算与试验结果吻合较好.     

受控线性多体系统传递矩阵法

受控线性多体系统的稳态运动是多体系统动力学的重要研究内容之一。本文以简单的受控多体系统为例，建立了受控线性多体系统传递矩阵法，能方便快捷地求解受控线性多体系统的稳态运动。建立了控制力作用下集中质量和弹簧阻尼铰的扩展传递矩阵和扩展传递方程。将牛顿法和受控线性多体系统传递矩阵法的计算结果进行了比较。实例表明，受控线性多体系统传递矩阵法不仅能用于受控线性多体系统的动力学分析，而且完整地保持了传递矩阵法的所有优点。     

引入传递矩阵法的复杂多体系统连接件建模方法研究

摘 要：以复杂系统动力学建模为研究背景,在计算多体系统动力学理论指导下,提出引入传递矩阵法模拟连接件的建模方法。以柴油机机脚螺栓为例使用该方法进行建模分析,结果表明引入传递矩阵法的复杂多体系统连接件建模和分析是可行的,在不失复杂系统整体动力学特性的前提下较精确地融入了连接件的传递特性,调谐了大零部件和小连接件间耦合建模时所建立矩阵的奇异性,具有求解速度快、模型数据量小等优点。文中的建模方法给建立柴油机整机振动与抗冲击快速评估模型奠定了一定基础。     

应用传递矩阵测量中间薄层材料声特性

将薄层材料看作三层复合材料的中间层,通过实测得到材料的总传递矩阵和前后两层材料的传递矩阵,中间层材料的传递矩阵可由前材料传递矩阵的逆矩阵、组合材料整体传递矩阵和后材料传递矩阵的逆矩阵相乘得到,由传递矩阵可计算得到中间层材料的声学特性。以基毡和海绵材料为例,通过实验研究并验证中间层材料声特性计算方法的准确性。该方法为薄层材料法向吸收系数和隔声量的测量提供了新的手段。     

一种面向平面多刚柔系统的冲击响应建模和计算方法

结合传递矩阵方法建模灵活和计算效率高的优点,提出了一种基于“传递矩阵”概念的多体系统冲击响应建模和计算方法。以受基础冲击的平面多刚柔系统为研究对象,采用Newmark-β法对元件的方程高阶项进行线性化,用模态方法处理柔体的变形,建立了一般刚体和典型刚体(刚性均质矩形板、带弹性支撑的刚性均质矩形薄板)、一般柔体和典型柔体(Euler-Bernouni梁)的冲击扩展传递矩阵,冲击激励包含平动和转动两种成分,给出了基于Newmark-β法的系统响应数值迭代求解算法程序。用一个工程实例,通过与有限元方法的对比,验证了方法的准确性,得出了转动冲击激励成分对总体响应的贡献不能忽略的结论。方法的研究对象虽然只是平面多刚柔系统,但很容易推广到三维的情况。     

多体系统传递矩阵法分布式并行计算研究

多体系统传递矩阵法作为一种多体系统动力学新方法,在进行多体系统动力学分析时无需系统总体动力学方程、涉及矩阵阶次低计算速度快的优点,已被广泛用于各种多管火箭、自行火炮、坦克等复杂大型机械系统动力学分析与设计。为了提高多体系统传递矩阵法计算速度,研究了分布式并行计算的原理和方法,将MPI(Message Parallel Interface)分布式并行计算环境引入到多体系统传递矩阵法计算中。针对变截面梁的多体系统传递矩阵法动力学计算算例,设计了并行算法,分析了单机多核和分布式网络环境对计算时间的影响,结果显示通过并行计算能够大幅度提高计算效率。     

Direct differentiation method for sensitivity analysis based on transfer matrix method for multibody systems

On one hand, the new version of transfer matrix method for multibody systems (NV‐MSTMM), has been proposed by formulating transfer equations of elements in acceleration level instead of position level as in the original discrete time transfer matrix method of multibody systems to study multibody system dynamics. This new formulation avoids local linearization and allows using any integration algorithms. On the other hand, sensitivity analysis is an important way to improve the optimization efficiency of multibody system dynamics. In this paper, a totally novel direct differentiation method based on NV‐MSTMM for sensitivity analysis of multibody systems is developed. Based on direct differentiation method, sensitivity analysis matrix for each kind of element is established. By assembling transfer matrices and sensitivity analysis matrices based on differentiation law of multiplication, the sensitivity analysis equation of overall transfer equation is deduced. The computing procedure of the proposed method is also presented. All these improvements as well as three numerical examples show that the direct differentiation method based on NV‐MSTMM is suitable for optimizing the dynamic sensitivity in multi–rigid‐body systems.     

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。     

矩阵方程X-A~TX~(-1)A=Q的牛顿迭代解法

非线性矩阵方程X-A~TX~(-1)A=Q在控制理论、动态规划、插值理论和随机滤波等领域中具有广泛的应用.本文给出了该矩阵方程的等价形式并利用牛顿法对该等价矩阵方程进行求解.通过定义一类用牛顿法求根时产生的矩阵序列与用牛顿法求解矩阵方程时产生的矩阵序列相同的矩阵函数,证明了由牛顿迭代法求解矩阵方程时产生的矩阵序列包含在具有唯一解的闭球内,并收敛到闭球内的唯一解.给出了该方程近似解与真解的误差估计式,并给出了说明牛顿算法对该方程求解有效性的数值例子.     

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。     

含界面脱粘及表板基体开裂损伤的复合材料夹层板非线性稳定性的研究

本文作者基于"zig-zag"模型和Mindlin一阶剪切变形板理论,推导了复合材料夹层板屈曲分析的有限元列式,在该列式中考虑了面板的横向剪切变形和芯体的面内刚度对夹层板力学性能的影响。针对具有面板和芯体间界面脱粘和纤维增强树脂基体微裂纹损伤的夹层板损伤特征,分别提出了分层模型和多标量损伤模型,并推导了多标量形式的损伤本构关系。采用修正的 Newton-Raphson迭代格式求解含损复合材料夹层板的非线性稳定性性状。通过算例研究了脱粘面积、基体的损伤演化、表板的铺设方式及载荷形式对复合材料夹层板屈曲性态的影响。本文作者给出的有限元模型和结论,对复合材料夹层板结构设计的损伤容限的制定具有一定的参考价值。     

非线性多转子—支承系统的偏置同步响应

利用等效线性化法将多转子－支承系统中的非线性元件逐次换为具有等效参数的线性元件，借助Ｒｉｃｃａｔｉ传递矩阵法稳定空间边界值问题，提出了分析多转子－支承系统偏置同步响应的等效线性化—Ｒｉｃｃａｔｉ传递矩阵迭代法。实例计算了装有中介轴挤压油膜阻尼器的双转子发动机的偏置同步响应。结果表明本法稳定性好、传递矩阵维数低、所需算机容量和机时小，明显优于模态综合法［１］，特别适合于分析含有强非线性元件的大型多转子－支承系统的偏置同步响应。     

A time‐integration method for the viscoelastic–viscoplastic analyses of polymers and finite element implementation

The present study introduces a time‐integration algorithm for solving a non‐linear viscoelastic–viscoplastic (VE–VP) constitutive equation of isotropic polymers. The material parameters in the constitutive models are stress dependent. The algorithm is derived based on an implicit time‐integration method (Computational Inelasticity. Springer: New York, 1998) within a general displacement‐based finite element (FE) analysis and suitable for small deformation gradient problems. Schapery's integral model is used for the VE responses, while the VP component follows the Perzyna model having an overstress function. A recursive‐iterative method (Int. J. Numer. Meth. Engng 2004; 59 :25–45) is employed and modified to solve the VE–VP constitutive equation. An iterative procedure with predictor–corrector steps is added to the recursive integration method. A residual vector is defined for the incremental total strain and the magnitude of the incremental VP strain. A consistent tangent stiffness matrix, as previously discussed in Ju (J. Eng. Mech. 1990; 116 :1764–1779) and Simo and Hughes (Computational Inelasticity. Springer: New York, 1998), is also formulated to improve convergence and avoid divergence. Available experimental data on time‐dependent and inelastic responses of high‐density polyethylene are used to verify the current numerical algorithm. The time‐integration scheme is examined in terms of its computational efficiency and accuracy. Numerical FE analyses of microstructural responses of polyethylene reinforced with elastic particle are also presented. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Nonlinear thermal analysis with a boundary element zone condensation technique

This paper presents a substantially more economical technique for the boundary element analysis (BEA) of a large class of nonlinear heat transfer problems including those with temperature dependent conductivity, temperature dependent convection coefficients, and radiation boundary conditions. The technique involves an exact static condensation of boundary element zones in a multi-zone boundary element model. The condensed boundary element zone contributions to be overall sparse blocked boundary element system matrices are formed once in the first step of the iterative nonlinear solution process and subsequently reused as the nonlinear parts of the overall problem are evolved to a convergent solution. Through a series of example problems it is demonstrated that the zone condensation technique facilitates the use of highly convergent iterative strategies for the solution of the nonlinear heat transfer problem involving modification and subsequent factorization of the overall boundary element system left had side matrix. For heat transfer problems with localized nonlinear effects, the condensation technique is shown to allow for the solution of nonlinear problems in less than half the CPU time required by methods that do not employ condensation.