考虑附加质量的旋转柔性梁动态可靠性分析

在带有附加质量的旋转柔性梁系统动态可靠性分析中,为了提高其计算精度和计算效率,提出了一种基于单项式容积法(Monomial Cubature Rules,MCR)的随机响应面法(Stochastic Response Surface Method,SRSM)。该方法利用MCR的积分点作为样本点,并以此生成柔性梁系统动态响应的小样本对,基于这些样本对和SRSM回归理论,建立柔性梁系统动态响应可靠度隐式功能函数的代理模型,使用该代理模型对柔性梁系统进行动态响应可靠性分析。通过与传统的蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法和改进的概率配点法(Efficient Collocation Method,ECM)比较,表明了该方法在柔性梁系统动态响应可靠性分析中的高效率和高精度。在取相同变异系数的条件下,柔性梁截面宽度参数的分散性对系统动态响应的可靠性影响较大。     

基于SVM回归柔性机构的动态可靠性研究

在柔性机构(Flexibility Mechanism,FM)动态可靠性分析中,为了提高其计算精度和计算效率,通过融合蒙特卡洛和支持向量机回归理论,提出了一种新的SVM回归极值法(SVM Regression Extremum Method,SREM)。该方法借助ADAMS软件抽取FM动态响应极值的小样本,基于支持向量机回归理论建立FM动态响应极值的代理模型,使用此代理模型进行FM动态响应可靠性分析。最后,利用蒙特卡洛法、SVM回归极值法和另外两种方法对柔性曲柄摇杆机构的摇杆最大摆角可靠度进行分析。结果显示:在小样本情况下,SVM回归极值法的计算精度与MC相当,精度明显高于另外两种方法;SVM回归极值法的计算效率比MC大幅度提高,与另外两种方法计算效率相当。验证了在小样本情况下,SREM在FM动态可靠性分析中高效率和高精度。     

分片响应面法在随机振动响应分析中的应用

在分析结构的随机振动响应时,响应面法(Response Surface Method)可有效地降低随机仿真的计算代价。然而,当随机变量存在大变异系数时,传统的响应面法无法满足所要求的精度。分片响应面基于对随机变量变异系数进行合理分块的原则,缩小响应面的近似范围,并对分割后的响应面进行独立分析,从而提高了响应面在该空间的近似精度。首先采用分块响应面法结合蒙特卡洛MC抽样技术,以单质点振子模型的随机振动响应为算例,对分块响应面法的正确性进行验证。计算结果表明,在随机变量的变异系数不大时,分片响应面法的计算精度不低于传统响应面法,而当随机变量具有大变异系数时,分片响应面法的近似精度远高于传统响应面法。此外,以随机地震动作用下的桥墩随机振动为背景,将该方法进行了进一步地推广及应用。     

平面细长梁基于无网格径向基点插值的绝对节点坐标法

为了消除或减弱传统绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)中缩减梁单元的"失真现象",构造了一种适用于描述柔性梁绝对位形的无网格径向基点插值(Radial Point Interpolation Method,RPIM)形函数,提出了柔性梁基于无网格RPIM的ANCF法。传统ANCF梁单元在描述纯弯曲悬臂梁的位形(一段圆弧)时,即便获得精确的单元节点坐标,通过梁单元插值得到的位形与悬臂梁的实际位形存在差异,即失真现象,悬臂梁越弯曲该差异越明显,失真越大。失真导致伪应变的产生,极大地影响数值求解的精度。而RPIM法采用一组场节点离散问题域,通过计算点支持域内的场节点构造形函数,计算点一般位于支持域的中心区域,不同计算点之间的支持域有较多重合的部分,加强了节点之间的联系,能更合理、准确地描述绝对位形,能有效减小失真。研究表明:基于RPIM的ANCF法较传统ANCF法精度更高、计算效率更快、对不等距分布节点的适应性更强,在大变形柔性多体系统动力学领域内具有推广性。     

柔性机构时变可靠性分析的时变随机响应面法

针对柔性机构极限状态函数的时变、非线性和隐式问题,提出了柔性机构时变可靠性分析的一种新响应面法——时变随机响应面法。将模态综合法与广义混沌多项式方法相结合,建立时变随机响应面,用以描述在随机参数和刚柔耦合影响下,系统响应随时间变化的规律,并得到系统响应的统计特征。与仅用混沌多项式拟合系统响应相比,提高了计算效率。建立系统运动可靠性的时变可靠性模型,给出了时变可靠度的蒙特卡罗计算方法。以两连杆柔性机械臂为例,对方法的有效性进行了验证,结果与蒙特卡罗法相比,具有较高的计算精度。     

复合随机振动系统的动力可靠性矩独立重要性测度及态相关参数解法

针对激励与结构参数同时存在不确定性的复合随机振动系统,由随机结构无条件动力可靠度表达式出发,利用条件概率密度函数解析变换给出衡量基本随机变量对动力可靠性影响的矩独立重要性测度指标。该指标可表征不确定性随机变量对动力可靠度响应量分布的平均影响程度,可全面反映随机变量对响应分布影响。基于状态依存参数模型,提出求解矩独立重要性测度指标的态相关参数(SDP)法。利用算例分析结构动力可靠性参数的矩独立重要性测度,并与直接Monte-Carlo法对比。所提方法可在保证计算精度同时大幅度提高计算效率,适用于分析复合随机振动系统非线性可靠性响应。     

输电塔动力特性计算与模态试验研究

输电塔是国家电网的重要组成部分,具有结构高、跨度大、柔性强等特点,对风荷载反应灵敏。建立能反映输电塔动态特性的模型对风致振动控制至关重要。为研究输电塔理论模型的准确程度,分别建立3种输电塔实验模型,包括多质点模型、梁单元有限元模型和梁-杆混合单元有限元模型,并对其进行模态分析;同时采用锤击法,以单点激励多点响应(SIMO)的测试方法对输电塔实验模型进行模态测试。将各方案与测试结果进行比较分析,结果表明:梁-杆混合模型的求解精度高于另外两种计算模型的精度,能较好模拟输电塔的动力特性,是最优的输电塔模拟方案。     

随机参数双连杆柔性机械臂的可靠性分析

将Lagrange方程和假设模态法相结合建立了考虑关节处摩擦的双连杆柔性机械臂的动力学模型。考虑随机因素的影响,将随机因子法的处理方式引入随机响应面法中,提出一种处理多输入随机参数的双连杆柔性机械臂系统可靠性分析方法,并分别建立了系统强度、刚度和运动功能的功能函数。通过算例验证了该文模型和方法的合理性和可行性,同时预测了系统的可靠度。研究结果表明,同可靠性分析的Monte-Carlo法相比,该方法对双连杆柔性机械臂的可靠性分析具有良好的精度和效率,在取相同变异系数的情况下,几何参数对系统可靠度的影响较大。     

考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法

三维圆柱铰的动态性能对空间机构的运动精度和动力学特性有着重要的影响。基于多体动力学方法和刚体有限元方法,提出考虑三维圆柱铰的间隙碰撞和动态接触作用的空间机构柔性多体接触动力学方法。采用圆柱-圆柱的线接触力学模型和切片法,计算圆柱-圆柱的接触变形量和接触力,建立三维圆柱铰的轴销与轴套之间的间隙碰撞作用和三维动态接触关系。以等效刚体单元和Timoshenko梁单元描述柔性杆件的刚性有限元模型,建立柔性连杆和三维圆柱铰的具有多刚体系统的统一形式的动力学方程。计算分析了含三维圆柱铰的空间机构的运动精度和动力学特性,获得空间机构的位移响应,三维圆柱铰的相对运动轨迹和动态作用力等动力学响应。采用三维圆柱-圆柱动态线接触方法,能有效地预测空间机构系统的三维圆柱铰持续接触、间隙碰撞状态和摩擦作用下的动力学特性。计算结果表明三维圆柱铰的间隙碰撞作用对空间机构的运动精度和动态特性的影响较为显著。动力学模型和计算结果对复杂工况下高精度多间隙的空间机构的动态设计和动力学研究具有重要的理论意义。     

基于广义协同高斯过程模型的结构不确定性量化解析方法

结构不确定性量化是定量参数不确定性传递到结构响应的不确定性大小。传统的蒙特卡洛法需要进行大量的数值计算,耗时较高,难以应用于大型复杂结构的不确定性量化。代理模型方法是基于少量训练样本建立的近似数学模型,可代替原始物理模型进行不确定性量化以提高计算效率。针对高精度样本计算成本高而低精度样本计算精度低的问题,该文提出了整合高、低精度训练样本的广义协同高斯过程模型。基于该模型框架推导了结构响应均值和方差的解析表达式,实现了结构不确定性的量化解析。采用三个空间结构算例来验证结构不确定性量化解析方法的准确性,并与传统的蒙特卡洛法、协同高斯过程模型和高斯过程模型的计算结果对比,结果表明所提方法在计算精度和效率方面均具有优势。     

含随机参数的空间柔性梁动力学模型

研究含随机参数空间柔性梁作大范围运动的动力响应问题。基于虚功原理建立随机参数空间柔性梁动力学模型,利用多项式混沌结合高效回归法将其转化为完全隐式纯微分方程,通过可变秩法获得响应函数展开多项式系数,进而获得柔性梁变形响应量数字特征。以物理、几何参数具有随机性自旋空间柔性梁为例,获得动力响应统计意义下的解,通过与Monte Carlo法结果比较,验证该方法的正确性及有效性。计算结果表明,利用随机参数的动力学模型能客观反映空间自旋柔性梁动力学行为;部分随机参数的分散性对柔性体动力响应影响不可忽视。     

基于加权线性响应面法的支持向量机可靠性分析方法

针对估算非线性隐式极限状态函数的失效概率问题,提出了一种基于加权线性响应面法的支持向量机可靠性分析方法。首先采用加权线性响应面确定设计点,在线性响应面迭代的同时获得一定数量的样本,然后在这些样本和设计点附近补充抽取样本的基础上,采用具有良好小样本学习能力的支持向量机方法来训练样本,保证了在设计点周围获得更好的非线性极限状态函数的替代。这种方法既保证了对设计点的精确近似,又保证了对设计点附近非线性极限状态函数的良好近似,大大提高了失效概率的计算精度,为非线性隐式极限状态的可靠性分析提供了一种合理可行的方法。     

空间站柔性太阳翼热诱发振动分析

柔性太阳翼随空间站在轨运行时会受到周期性的热载荷作用,为研究热载荷对柔性太阳翼的影响,采用热-结构非耦合分析方法对柔性太阳翼进行了热诱发振动分析。提出了等效位移法,按照节点位移等效原则计算柔性太阳翼有限元模型各节点的等效温度载荷,再以该载荷为激励计算柔性太阳翼的动态响应。通过自编的Python程序实现等效温度载荷计算过程中的数据处理,以及热诱发振动分析流程中的有限元前后处理。通过与理论解和数值解作对比,验证了基于等效位移法求解等效温度载荷并用于非耦合热诱发振动分析的方法的准确性。通过对柔性太阳翼的热诱发振动分析,得到了柔性太阳翼的动态响应数据,发现了柔性太阳翼出地球阴影区时的刚柔耦合情况。分析结果可以为柔性太阳翼的设计和改进以及在轨的安全性、可靠性的评估提供参考。     

基于波函数法的附加弹簧阻尼薄板的振动研究

基于Kirchhoff薄板弯曲振动理论和波函数法Wave Based Method(WBM)理论,推导了运用WBM将附加弹簧阻尼结构转化为点激励的方法,构建了基于WBM计算含弹簧阻尼支承薄板振动响应的系统矩阵,得到了含弹簧阻尼支承的薄板弯曲振动响应。以四边简支矩形板为例,计算了50~600 Hz频段内参考点的振动响应,并与解析法和有限元法的计算结果进行了对比。运用该方法对比计算了添加不同弹簧阻尼结构数与无弹簧阻尼结构时薄板在120 Hz的弯曲振动响应。结果表明:通过将弹簧阻尼结构转换成点激励的方法,能有效的将WBM应用于附加弹簧阻尼支承薄板弯曲振动响应的仿真计算,与有限元法相比,有着更高精度和收敛速度。     

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。     

刚柔耦合多体系统动力学模型降阶

提出了基于模态综合法的刚柔耦合多体系统动力学模型降阶方法。该方法用自然坐标法和绝对节点坐标法分别描述刚柔耦合多体系统中的刚体构件和柔性体构件,同时用Craig-Bampton方法对柔性体模型进行减缩。对于刚体构件与柔性体构件之间只存在线性约束的情况,建立了消除线性约束的刚柔耦合多体系统动力学方程。最后,为了验证的该方法的有效性,对刚柔耦合双摆进行了研究。仿真结果表明:适当选择模态就可以在满足计算精度的同时减少计算时间,提高计算效率。     

带轴向运动柔性梁附件航天器的刚-柔耦合动力学分析

针对当前航天器面向大型化、复杂化和精密化方向发展,为了提高航天器的使用寿命、运行精度和工作效率,考虑航天器主体和轴向运动柔性梁的刚-柔耦合作用是十分有必要的。基于Euler-Bernoulli梁理论以及刚-柔耦合建模方法,建立了航天器主体-轴向运动柔性梁刚-柔耦合系统的动力学模型。根据Hamilton原理推导出刚-柔耦合系统的动力学方程,采用分离变量法和振型叠加法求解耦合系统的动力学方程。利用四阶Runge-Kutta法进行数值计算。通过数值算例分析航天器主体半径、航天器主体面密度和柔性梁轴向速度对柔性梁横向振动以及对航天器姿态角的影响。     

基于近似模型的大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应预测研究

针对电磁力作用下大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应建模及计算复杂问题,提出一种基于数据驱动的支持向量回归动力响应预测方法。通过少量典型样本构建某600 MW汽轮发电机动力响应近似模型,从而代替复杂耗时的有限元模型预测不同结构参数下的动态性能。以端部绕组鼻端位移峰值作为动力响应的关键指标,首先选取绑环刚度、径向支架刚度以及滑销和径向支架之间的固定约束数目为设计变量,通过正交试验设计获取样本,在ABAQUS软件中分别建立试验样本对应的有限元模型,再对其进行计算获得鼻端位移时程曲线;然后通过遗传算法对支持向量机中的参数寻优构建端部绕组动力响应的近似模型,对比结果显示,该近似模型精度优于基于响应面法和克里金插值法构建的预测模型;最后基于近似模型探讨了设计参数对鼻端位移峰值的影响规律。该方法可用于后续的优化设计以及装备数字孪生系统中电气和力学性能的实时求解与计算。     

结合SVR响应面与粒子群优化的有限元模型修正

提出了一种模型修正方法，可以在不依赖模型灵敏度的前提下，利用较少的计算量实现对结构有限元模型的参数修正。该方法首先构建代理模型替代结构有限元模型，通过计算少量样本点，训练支持向量回归机(support vector regression, SVR)预测参数所对应的响应；其次，以结构固有频率的残差为目标函数，利用粒子群优化算法实现全局寻优求解，得到修正后的有限元模型参数；进一步，以带孔平板为试验研究对象，基于实测数据验证了所提方法的有效性，并讨论不同参数、样本点数等对模型修正精度的影响；最后，用某卫星结构模型修正算例证明了该方法相对基于灵敏度分析的方法在计算耗时上的优势。该研究旨在为具有复杂参数-响应特征的结构模型修正提供技术支持。     

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。