一种基于子结构界面动刚度的模态综合法

针对传统模态综合法中由于高阶截断模态带来的计算误差问题,本文将子结构界面动刚度进行级数展开,用子结构的固定界面主模态表示,并利用位移协调和力平衡条件对子结构界面动刚度进行模态综合,发展了一种新的模态综合方法。该方法保留了截断模态高阶项的贡献,界面力高阶平衡条件的利用减少了界面自由度的引入。推导过程不必引入质量矩阵为对角块的假设,比现有改进方法更具普适性。数值算例的结果表明在相同自由度的前提下,本文提出的方法能获得更高的模态综合精度。     

一种利用子结构综合技术的模型修正方法

提出了基于改进自由界面子结构模态综合法的结构模型修正方法。首先给出了一种改进的自由界面子结构模态综合法,该方法通过构造一组与系统低阶模态加权正交的向量集,有效地解决了含有刚体模态时系统剩余柔度矩阵的求解问题。然后利用摄动法对每个子结构进行摄动,并计算灵敏度,通过子结构综合技术得到由摄动量表示的综合系统方程和灵敏度方程,给出了基于灵敏度分析的修正计算方法。该方法仅需对综合方程进行修正,极大的减缩了待修正问题的计算规模,提高了修正效率。最后,以典型数值算例验证了该方法的有效性。     

改进的混合界面子结构模态综合法在失谐叶盘结构模态分析中的应用

在保证精度的条件下,为了提高航空发动机模态分析的计算效率,针对传统混合界面子结构模态综合法由于综合后还可能存在计算量大的问题,提出一种改进的混合界面子结构模态综合法。该方法将综合后的模型进一步减缩,同时在减缩过程中引入位移和力的双协调条件,保证了计算的准确性。采用该方法建立了叶片-轮盘的组合结构的参数化模型,对各个子结构建立有限元模型并综合求其模态,与整体结构有限元法相比,计算时间缩短了23.86%~35.74%,模态偏差不大于0.57%,而传统法,其计算时间缩短了14.63%~29.20%,模态偏差不超过0.49%,可见,在相同的工作环境且保证精度的条件下,该方法计算效率比传统混合界面子结构模态综合法有显著提高,尤其是在高阶模态求解时,计算效率提高的更加明显,为下一步的振动响应及组合结构的动态特性研究奠定了基础。     

连接子结构与子结构模态综合法

本文讨论了子结构模态综合法中连接子结构的定义方式和基本特征，提出了弹性、刚性和混合型三种类型的连接子结构。简要描述了应用连接子结构的模态综合技术及其在某些局部非线性动力问题中的应用前景。最后通过一重力坝固有特性的实例分析，说明应用连接子结构的子结构模态综合法具有应用方便、计算精度高的优点。     

立体浮筏隔振系统的模态机械阻抗综合法研究

模态机械阻抗综合法是一种新的动态子结构振动分析方法，是传统机械阻抗综合法的推广。它克服了以往动态子结构分析中由于各子结构自由度数不同而带来的困难，并能求解弹性体一刚体系统振动问题。本文研究了模态机械阻抗综合法的求解步骤及其在复杂隔振系统振动分析中的应用，并以立体浮筏隔振系统为模型，进行了分析计算。     

求解动态子结构的大质量界面虚拟激励法

为提高大型结构随机激励的计算效率,解决不同类型组合结构的动力求解问题,提出一种动态子结构求解方法。在各子结构界面的质量矩阵上分别附加大质量单元,并直接在大质量单元上施加两次不同幅值的虚拟激励荷载,确保相邻子结构界面上的加速度响应协调;根据不同子结构界面上的内力平衡条件和线性关系建立界面力平衡方程组,求解出能够保证各子结构之间加速度响应和内力同时协调平衡的虚拟激励荷载幅值;通过求出的虚拟激励荷载分别计算各子结构的真实响应。该方法与传统的模态综合法相比,避免了模态坐标和物理坐标的反复转换,并能直接考虑子结构的高频特性;与机械导纳法相比,减小了综合方程规模,求解更为简便,并适用于外荷载激励和地震下基础加速度激励同时输入的情况。最后通过不同类型的仿真算例验证了该方法的正确性。     

部件试验模态综合的简便方法

本文将一种基于完备模态基的模态综合技术应用于子结构的试验模态综合,获得成功。这种半试验半理论的模态综合方法是一种较为简便的、要求试验工作量较小的试验模态综合法,因为它只要求测量子结构的振动模态和频率即可。数值仿真结果表明,这种简便的试验模态综合法是行之有效的。     

基于局部时间序列的约束子结构修正法

针对局部子结构为修正对象的情况,提出了基于时间序列的约束子结构修正法.从而只利用整体结构中局部子结构部分的自由响应或者随机响应就可以精确修正子结构模型.该方法依据线性结构的线性叠加原理.将一组长的子结构响应的时间序列延时划分为若干组子时间序列,然后利用这些子时间序列的线性组合,限制子结构边界的响应,从而隔离整体结构对子结构的影响,构造出约束子结构的响应,进而通过约束子结构的模态识别和模型修正实现对局部子结构的修正.以十跨桁架模型为例,分别利用子结构位置的随机响应和自由响应修正子结构,验证了所述方法的有效性,并分析了噪声对方法的影响.     

半柔性悬挂结构分析的子结构模态法

针对一种半柔性悬挂减振结构提出其简化计算方法。根据这种结构的特点,将柔性悬挂层作为连接子结构,应用子结构模态综合法分析结构动力特性,得到结构的简化运动方程;分析了柔性层与悬挂楼面层间刚度比和综合模态数对结构简化计算精度的影响;提出了确定参与综合模态数的选取方法;基于模态综合法进行了算例的时程分析对比。结果表明:采用合理的子结构模态法减少了参与结构分析的自由度数目;综合模态数对结构计算精度的影响更显著。子结构模态法具有应用方便、计算精度高的特点,完全可以满足工程分析的需要。     

利用POD方法的固定界面模态综合技术

利用POD(Proper Orthogonal Decomposition)方法结合固定界面模态综合方法,提出了一种求解局部非线性问题的降阶方法.该方法将系统分成线性、非线性子结构.对于非线性子结构,利用POD方法构造POM(ProperOrthogonal Mode)来代替传统的线性模态,然后利用线性约束模态代替非线性约束模态.文中通过算例说明了所提方法的有效性.通过此方法,避免了求解整个系统的响应,可以将POD降阶方法推广到含局部非线性的大型有限元模型.此外还提出采用一种更新的线性约束模态来近似估算非线性约束模态的方法,并利用该方法证明了当非线性子结构为弱非线性时,用线性约束模态代替非线性约束模态的合理性.     

基于申威异构众核处理器架构的模态并行算法

根据国产申威异构众核处理器架构特点,提出了一种结构有限元模态分层通信并行计算方法,对于提高国产申威异构众核分布式存储并行计算机下重大装备系统级模态分析的并行效率具有重要意义。该方法在分层通信策略和加速子空间迭代法的基础上构建了大规模模态分析并行计算体系,不仅实现了计算过程和数据通信的分层,有效提高了通信效率;而且实现了计算数据的分布式存储,显著改善了数据访存效率。将并行计算体系应用于某超深钻机制动系统主体结构和某跨江隧道,实现了上千万自由度、数万核的模态分析并行计算;结合算例对该算法的正确性和有效性进行了评估。结果表明,该算法能够充分利用国产申威异构众核分布式存储并行计算机的体系结构特点提高重大装备系统级模态并行计算效率。     

一种非比例振型阻尼模型及在大规模非线性分析中的应用

该文通过有限元模型的节点振型阻尼比构造了一种非比例振型阻尼模型;给出了非线性显式格式中该文模型阻尼力的高效算法,并结合实际工程对显式求解的稳定性进行了分析。将该文提出的非比例阻尼模型和高效算法在自主研发的CPU+GPU并行非线性分析软件中进行实现,对有限元模型自由度数达到百万量级的超高层钢-混凝土混合结构广西东盟塔进行动力时程分析,对该文并行算法的效率和非比例阻尼对结构动力响应的影响进行了研究。     

Transient non-linear simulation with component mode synthesis

A method is presented to incorporate non-linear material behavior in a transient simulation with component mode synthesis reduction. This method is used in conjunction with rigid body solution techniques to expand the useful range of rigid body design tools for the development of complex mechanisms. A fixed interface component mode synthesis technique is enhanced with an algorithm to approximate the effect of plastic deformation during a dynamic simulation. The plastic strain is determined from the elastic modal response using classical plasticity theory and applied to the modal solution by projecting an effective nodal force vector on the modal coordinates to induce the necessary plastic deformation. This method can be used during the design process to approximate the non-linear dynamic response of complex mechanisms and offer significant computational savings over a full fidelity, non-linear dynamic solution.     

时域CFD/CSD耦合方法能量精度分析及应用

研究两类时域计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）耦合方法：串行分区方法和并行分区方法。从耦合界面能量守恒的角度分析不同耦合方法对能量守恒误差的影响。在非同位方法和并行分区方法的基础上提出非同位并行分区方法。使用不同的耦合方法,对二维气动弹性算例Isogai Wing进行计算,结果表明减小耦合界面上的能量守恒误差可以有效的提高计算精度,效率高于紧耦合方法;非同位分区方法的能量守恒误差小于同位分区方法,并且可以使控制方程满足界面连续条件;非同位并行分区方法继承非同位分区方法和并行分区方法的全部优点,采用该方法计算颤振边界,和文献结果吻合。     

重复性结构模态综合技术—张力架动力分析

本文讨论了一种对具有重复等同性特点的结构进行动力分析的模态综合技术。这一类结构可分割为若干等同的部件,只要对其中一个部件进行分析,即可得所有部件的模态信息,然后按混合界面模态综合法进行综合,综合时根据诸部件对接界面的协调条件,导出全体部件和整体结构广义坐标之间的变换矩阵,除各部件的模态坐标外,只保留了一条对接界面的坐标。另外,为进一步降低部件的自由度数,本文采用分层二重动态子结构法将部件再次分割,先用对接加载模态综合技术进行综合以得出部件的主模态,再在此基础上进行整体综合,最后得出整体结构的固有频率和主振型。文章最后以经编机弹性张力架为算例,应用上述方法计算了前10阶固有频率和前5阶主振型,并进行实验测试,对固有频率的计算值作了校核。     

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。     

基于独立分量分析的结构模态参数识别

简要介绍了独立分量分析的基本原理及算法,探讨了结构的正规坐标与独立分量的关系。分析认为,结构自由振动响应的振型分解可以看做是一个ICA问题。因此,可以把独立分量分析发展成为一种利用结构自由振动响应时域信号进行模态参数识别的方法。结合数值仿真算例及振动试验,验证了独立分量分析用于结构模态参数识别的有效性。结果表明,独立分量分析可以准确的从结构自振响应中,分离出各正规坐标,同时估计出各阶模态振型向量,适用于环境激励下的工作模态参数识别。     

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Jacobi-Davidson算法的大规模模态分析并行计算研究

对Jacobi-Davidson（J-D）算法进行了改进和并行计算研究。通过添加谱变换、收缩和重启动等策略将J-D算法改造成了适应大规模模态分析的算法。利用改进后的算法和各种数值求解软件包,建立了一套基于PANDA框架的模态分析并行求解体系。基于该求解体系和并行机群,开展了某工程结构大规模模态分析并行可扩展性研究,测试规模从数十万自由度一直达到千万自由度,并行CPU核数达到128个;研究了改进后的J-D算法内层迭代步数、重启动向量个数等控制参数对外层迭代收敛速度的影响;获取了不同规模并行计算的加速比。研究结果表明,改进后的J-D算法完全适应千万自由度规模以上的模态分析,内存占用与规模之间呈线性增长趋势,在1 025万自由度规模模态分析仅占用39.4 GB内存;同时该算法具有优异的并行可扩展性,在128个CPU测试核内接近线性加速,并且测试规模越大,曲线越接近理想加速曲线,1 025万自由度规模在128核的并行效率达到88.1 %。