非平稳随机响应灵敏度分析的时域显式法EI北大核心CSCD

针对非平稳激励下的结构振动问题,研究动力响应方差灵敏度的高效时域求解算法。首先推导确定性动力响应灵敏度的时域显式表达,继而结合方差灵敏度的一般计算公式,得到非平稳随机响应方差灵敏度的时域显式计算列式。该列式同样适用于平稳激励下结构瞬态响应方差灵敏度的求解。以框架结构和桁架结构分别受不同类型的非平稳激励为例,时域显示解法和其他方法的对比计算结果验证了时域显示解法的有效性。     

以动柔度为目标的结构阻尼材料层拓扑优化

为讨论附加阻尼材料层壳体结构在受简谐激励作用时阻尼材料最优分布,采用类似SIMP方法的人工阻尼材料模型构造拓扑优化模型。设计目标为给定阻尼材料用量最小化的结构动柔度,以阻尼材料相对密度作为设计变量。对结构呈现非比例阻尼特性,采用在状态空间下降阶后的复模态叠加法计算结构稳态响应及动柔度。优化过程中用伴随变量法对动柔度进行灵敏度分析。通过拓扑优化算例,验证所提模型及方法的合理性与有效性。     

分数阶导数系统非平稳随机振动灵敏度分析的时域显式方法EI北大核心CSCD

分数阶导数模型是描述黏弹性材料本构关系的理想模型。进行了分数阶导数线性系统非平稳随机振动的灵敏度分析。建立分数阶导数系统动力响应的时域显式表达式;采用灵敏度分析的直接求导法或伴随变量法,推导系统动力响应灵敏度的时域显式表达式;提出分数阶导数系统响应统计矩灵敏度高效计算的时域显式方法。所提出的基于直接求导法和伴随变量法的时域显式方法,分别适用于少设计变量和多设计变量两种情况下的响应统计矩灵敏度分析。以非平稳地震激励下设置分数阶导数黏弹性阻尼器的层剪切结构为数值算例,验证了所提方法的计算精度和计算效率。     

非平稳随机地震响应约束下的桁架结构形状与拓扑优化

基于时域显式方法,针对桁架结构在非平稳随机地震作用下的动力优化问题推导了非平稳随机响应对设计参数的灵敏度,并结合移动渐进线法对桁架结构的截面积及节点坐标进行优化。建立了以体积为目标函数,以水平向及竖向地震作用下位移方差为约束条件的优化模型。通过数值算例说明桁架在非平稳随机地震作用下进行动力优化的可行性以及该方法的有效性。     

考虑瞬态响应的薄板结构阻尼材料层拓扑优化

讨论了敷设阻尼材料的薄板结构考虑瞬态响应时阻尼材料层的最优布局问题。基于SIMP方法构造人工阻尼材料惩罚模型和结构拓扑优化模型,以阻尼材料的相对密度作为设计变量,在给定阻尼材料用量的条件下,最小化结构瞬态位移响应的时间积分。由于结构整体呈现非比例阻尼特性,采用逐步积分法对结构的振动方程进行求解。通过伴随变量法得到目标函数对设计变量的灵敏度表达式,在此基础上采用基于梯度的移动渐近线方法求解。数值算例验证了优化模型与算法的合理性和有效性。     

非平稳激励下结构随机振动时域分析法

根据线性动力系统输入与输出之间的线性关系特性,探讨非平稳随机激励下结构随机振动的时域求解方法。把结构动力方程写成状态方程形式,同时把非平稳随机激励向量离散为一系列时间截口随机向量。采用精细积分法对状态方程进行数值求解,可建立任意离散时刻结构响应关于时间截口随机向量的显式线性表达式。基于该显式表达式:一方面可以直接利用一阶矩和二阶矩的运算规律计算任意离散时刻结构响应的均值和方差;另一方面也可进一步实施蒙特卡罗数值模拟,这除了可以得到结构响应的均值和方差时程外,还可以得到结构非平稳随机响应的演化概率密度函数。所提出的方法对随机激励方式没有任何限制,适用面广,且具有计算精度高、计算效率大幅提高以及获得响应统计信息全面等优点。数值算例显示了该文方法的上述优点。     

简谐力激励下约束阻尼结构动力学拓扑优化

针对简谐力激励下约束阻尼结构的动力学拓扑优化问题,以约束阻尼结构的指定位置的稳态位移响应为优化目标,约束阻尼材料体积为约束,建立约束阻尼结构动力学拓扑优化模型。使用复模态叠加法求解约束阻尼结构的位移响应。分析直接法和伴随法的特点,提出复模态叠加法和伴随法相结合的灵敏度分析方法,有效提高灵敏度计算效率。采用移动渐近线法(MMA)对约束阻尼结构的动力学拓扑优化模型进行求解。通过算例分析,验证了提出的约束阻尼结构的动力学优化算法有效性。     

约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化

旨在为减振设计提供理论基础,研究约束阻尼结构拓扑动力学优化。以阻尼材料用量、振动特征方程、模态频率为约束,以多模态损耗因子倒数的加权和最小为目标,建立了约束阻尼结构拓扑优化模型,引入MAC因子控制结构的振型跃阶。在引入质量阵惩罚因子基础上推导出优化目标灵敏度。考虑到优化目标函数的非凸性,采用常规准则法(OC)寻优可能会使拓扑变量出现负值或陷入局部优化,故引入数学规划移动渐近技术对OC法进行改进,从而将全体拓扑变量纳入改进算法的优化迭代全过程。编程实现了约束阻尼板改进OC法拓扑动力学优化并对改进法性能进行了仿真。结果显示,改进算法可得到更合理的约束阻尼层构形,可使结构取得更佳减振效果。研究表明,改进算法迭代稳定性更好、寻优效率更高、更具全域最优性。     

非平稳地震作用下随机结构动力可靠度计算

对非平稳地震作用下的含随机参数结构,建议了一类结构体系动力可靠度的数值模拟求解方法.把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,将结构响应表达为一系列随机系数和离散时刻处随机激励乘积的和形式.随机系数为结构随机参数的函数,反映结构随机参数对随机响应的影响.在确定性结构非平稳随机响应时域分析方法的基础上,采用不含交叉项的二次多项式对该随机系数进行重构,获得了结构响应关于结构随机参数和离散时刻处随机激励的显式表达式.基于该显式表达式,利用数值模拟技术可以方便地进行首次超越失效准则下结构体系动力可靠度的求解.对一榀非平稳地震作用下的含随机参数框架进行了结构体系动力可靠度分析,并在计算精度和计算效率上与传统蒙特卡罗法进行了比较,结果显示所提出的方法具有理想的精度和相当高的效率.     

非均质结构非平稳随机响应的快速算法

将扩展多尺度有限元法应用于非平稳随机振动时域显式法中,实现了对非均质结构非平稳随机响应的快速精确计算。首先,论文阐述了扩展多尺度有限元法基本原理。其次,探讨了时域显式法在非平稳随机响应分析中的优势。时域显式法基于动力响应显式表达式直接在时域进行随机振动分析,较传统反应谱法,具有良好的计算精度和计算效率。最后,根据两算法的特性和优势提出统一的多尺度算法框架,使其适用于非均质结构非平稳随机响应分析的快速求解。数值算例验证了该算法的高效性和精确性。     

模糊参数平面连续体结构的拓扑优化设计

研究了具有模糊参数的连续体结构在模糊载荷作用下的拓扑优化设计问题。利用信息熵将模糊变量转换为随机变量,构建了随机载荷作用下的随机参数的连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元应力可靠性为约束条件,利用分布函数法对应力可靠性约束进行了等价显式化处理。基于随机因子法,利用代数综合法导出了应力响应的数字特征的计算表达式。采用双方向渐进结构优化(BESO)方法求解。通过两个算例验证了该文模型及求解方法的合理性和有效性。     

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的 在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计.方法 以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型.结果 研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要.结论 通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计.     

约束阻尼板的渐进法结构减振拓扑动力学优化

旨在为结构减振设计奠定一定基础,研究约束阻尼板减振优化问题。建立约束阻尼板动力学平衡方程,推导模态损耗因子计算模型。构建以模态损耗因子最大为目标,黏弹性材料用量及模态频率变动最小为约束的阻尼板拓扑优化数学模型,推导模态损耗因子灵敏度算式。引入渐进结构优化方法对约束阻尼板动力学优化模型进行求解,采用独立网格滤波技术,解决优化迭代中出现的棋盘格问题。编制阻尼板拓扑优化程序,实现约束阻尼板减振优化。仿真显示,与非优化删除方法相比,采用渐进拓扑动力学优化,更有利于实现黏弹材料优化布局,且模态频率变化比较稳定。对阻尼结构进行谐响应分析,以验证拓扑优化方法有效性,引入模态损耗因子体积密度指标以评价阻尼板减振拓扑优化性能。研究表明,若能实现结构模态损耗因子最大化,约束阻尼板减振效果明显。该方法对于约束阻尼板设计具有较强实用性,拥有较高的稳定性。     

基于动响应约束的结构材料优化设计

针对于随机荷载作用下动响应为约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出了一种变动响应约束的结构材料优化方法。采用分式有理式和幂函数识别结构材料单元特性参数,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出了频率及振型对微观单元设计变量的一阶导数,进而得到了随机荷载作用下结构均方响应的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,建立了以结构质量作为目标函数,均方响应作为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型,并采用对偶方法进行求解。对典型结构进行了考虑单个和多个动响应约束的结构材料优化设计,优化所得结果验证了该方法的有效性和可行性。     

约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明：双向渐进优化算法相比单向渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。     

功率谱二次正交化法在随机地震动响应的应用

针对平稳激励下线性结构随机地震动响应方差和谱矩时频域法无解析解或时域法解析解复杂的问题,提出了结构响应功率谱的二次正交化法,并成功获得线性结构基于李鸿晶随机地震谱的系列响应（结构层位移和层间位移）的 0~2 阶谱矩和方差的简明封闭解。综合虚拟激励法和复模态方法,提出了线性结构频率响应特征值函数的二次正交法,即将频率响应特征值函数表示为振动复特征值和频域变量二次方和的线性组合;以李鸿晶随机地震动谱为例,基于留数定律获得该谱的二次正交式,进而获得结构地震动系列响应功率谱的二次正交式;获得了建筑结构随机地震动系列响应方差及 0~2 阶谱矩的统一简明封闭解。利用本文方法对一单自由度结构和一多自由度TMD 耗能结构地震动响应进行分析,并与虚拟激励法进行了对比研究,结果表明本文所提方法为封闭解且可用于验证虚拟激励法谱矩分析时的精度。此外,本文方法可适用于各种线性结构基于各类平稳随机地震谱的随机响应封闭解的分析。     

圆柱壳振动控制中约束阻尼拓扑优化研究

基于RAMP(Rational Approximation of Material Properties)插值模型密度法,以结构模态损耗因子倒数最小化为优化目标、阻尼结构体积为约束条件、约束阻尼单元相对密度为设计变量,建立约束阻尼结构拓扑优化模型。基于优化准则法推导设计变量更新准则,结合有限元法编写约束阻尼材料拓扑优化程序,对圆柱壳在振动控制中约束阻尼结构进行拓扑优化分析。结果表明,基于优化准则的振动拓扑优化方法所需迭代次数少,能有效减少结构的振动响应。从而验证设计方法的有效性。     

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。     

风荷载作用下复刚度阻尼TMD减振结构优化设计

利用复刚度阻尼进行减振的优化设计理论亟需发展。建立具有复刚度阻尼特征的调频质量阻尼器(TMD)减振结构的动力学方程,并基于定点理论提出了采用复刚度阻尼的TMD结构最优频率比和最优阻尼比确定方法。对具有复刚度阻尼特征的TMD减振结构在简谐激励和平稳随机激励下的稳态响应进行了分析。以主结构位移振幅最小为优化条件,推导TMD的阻尼和频率最优参数的理论公式。结果表明复刚度阻尼TMD的整体减振效果接近于黏滞阻尼减振结构,在相同质量比和一定频率范围内,复刚度阻尼比黏滞阻尼可能具有更好的减振效果。对Davenport风速谱下复刚度阻尼TMD减振结构的随机响应进行分析,结果表明TMD的减振效果要弱于白噪声作用下的结果,复刚度阻尼TMD减振效果稍逊于黏滞阻尼的情况,但二者结果较接近。在应用TMD减振技术时,采用复刚度阻尼是一种有益的选择方案。     

刚度-质量-阻尼综合优化的船舶减振统一阻抗模型法

提出了船舶减振统一阻抗模型法,以结构阻抗值衡量减振能力,探讨同步进行刚度-阻振质量-阻尼材料综合配置的结构动力学布局优化设计。分别建立了基于结构原点阻抗、传递阻抗和阻抗级落差描述的三种动力学布局优化模型。以某军舰基座减振设计为例,验证所提出的统一阻抗模型法。算例中以基座各构件的厚度和大质量阻振方钢截面尺寸为尺寸设计变量,方钢和阻尼材料的布局为拓扑设计变量,利用模型映射变换方法,将该离散优化模型连续化。利用近似代理模型方法,求解该多频段动力学优化问题,验证刚度-阻振质量-阻尼材料同步优化设计的优越性。