基于筋腱失效分析TLP动态响应EI北大核心CSCD

对张力腿平台(tension leg platform,TLP)在不同系泊失效条件下的动态响应进行分析,采用全耦合数值工具ANSYS/AQWA建立非线性平台-筋腱模型,并提出一种模拟筋腱失效的方法。主要分析了筋腱失效时的瞬态响应,筋腱同时失效和渐进失效下的平台瞬态响应,以及筋腱失效后平台的性能变化。结果表明:首先,筋腱断裂失效会导致平台产生瞬时过冲;其次,筋腱同时失效下的瞬态响应比筋腱渐进失效的瞬态响应更显著;最后,筋腱失效后平台的性能会发生明显的变化。因此,需提前研究筋腱断裂对平台动态响应的影响,防止平台的安全性受到威胁。     

变曲率均质梁结构的振动特性研究EI北大核心CSCD

曲梁结构具有外形美观、力学性能好和承载能力强等一系列优点,在建筑、桥梁、船舶和航空航天等领域得到广泛应用。首先,基于一阶剪切变形梁理论和哈密尔顿原理建立四种典型曲梁结构(即圆弧曲梁、椭圆曲梁、抛物曲梁和双曲曲梁)在复杂边界条件下的统一动力学分析模型。其次,对上述曲梁结构模型进行收敛性验证并确定最佳截断数和边界弹簧刚度的取值。然后,对已建立曲梁结构模型进行准确性验证并证明其可以快速求解复杂边界条件下曲梁结构的振动特性。最后,研究结构参数、边界条件和脉冲载荷类型对曲梁结构振动特性的影响。分析结果表明,曲梁结构厚度、弹性边界条件以及脉冲载荷类型对曲梁结构的振动特性具有不同程度的影响。     

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析EI北大核心CSCD

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。     

综合管廊燃气爆炸对下穿隧道结构安全性的影响研究EI北大核心CSCD

针对综合管廊燃气爆炸时下穿隧道可能遭受破坏的风险,首先通过野外管廊燃气爆炸试验确定综合管廊超压时程,而后建立综合管廊-土体-下穿隧道整体三维有限元模型,并在综合管廊燃气舱内壁施加荷载,计算分析了下穿隧道的动力响应规律。结果表明:野外管廊燃气爆炸试验实测超压峰值高达0.63 MPa,且升压和降压持续时间均为0.1 s左右;隧道衬砌拱顶区域最先受到冲击,衬砌位移随时间的增大而增大,而衬砌应力则在超压峰值时刻达到最大,且隧道平行下穿时的衬砌应力超过正交下穿时的3.5倍;随着隧道和管廊间距的增大,隧道动力响应如衬砌应力、振动速度等均逐渐减小,且隧道正交下穿管廊时的减小趋势更明显;综合考虑各因素的影响,建议优先考虑隧道正交下穿综合管廊,且隧道与管廊的安全距离控制在7 m以上。研究结果可为综合管廊抗爆及下穿隧道工程设计等提供参考。     

基于DNN整机建模的滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数辨识EI北大核心CSCD

针对滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数的辨识精度不高等问题。提出利用可表征结合部动态特性参数与整机固有频率之间映射关系的深度神经网络(deep neural network, DNN)建立进给系统整机的等效动力学模型;结合进给系统固有频率的DNN预测值与实验模态分析值,采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法对进给系统关键结合部的不同方向的刚度、阻尼参数同时辨识。以自行设计制造的进给系统实验台为实例进行整机建模、实验、参数辨识等分析;最终的辨识结果达到很高精度,说明该方法是可行、有效的。     

建筑物内气体爆燃下结构动力特性研究EI北大核心CSCD

建筑物内部可燃气体混合物爆燃压力受燃气特性、气流泄放和内部环境等影响,一般具有峰值多、作用时间长的特点,与结构抵抗化爆冲击波荷载计算相比,室内气体爆燃下结构动力响应分析需考虑初始静载与动载耦合、荷载发展时程等因素。考虑变形速率引发材料强度的变化,修正结构抗力函数,建立等效单自由度简化计算模型,并用实验数据进行验证。计算表明:结构响应受爆燃荷载整个发展历程影响,计算时考虑初始正向静载、忽略阻尼影响均会引发结构动位移显著增大,沿用化爆荷载作用下结构简化计算方法应考虑上述特点。     

基于奇异摄动法的固定翼无人机优化PID控制

为了提高固定翼无人机(UAV)飞行控制的精准性与响应速度,降低因固定翼非线性系统耦合而造成的控制误差,提出了基于奇异摄动分解的固定翼无人机动力学建模及控制方法。首先对固定翼无人机的速度和姿态进行动力学建模,采用小扰动理论将非线性模型线性化。对于线性化处理后的固定翼无人机动力学模型,将速度、角度作为慢变量,角速度作为快变量,转换为奇异摄动模型,再对奇异摄动模型进行快慢分解,得到两个降阶子系统,即以线速度、角度为状态变量的慢子系统和以角速度为快变量的快子系统。分别对快、慢子系统设计比例积分微分(PID)控制器,最后,用Simulink仿真验证了基于快、慢分解的优化PID方法的可行性以及有效性。     

基于连分式与有限元法的坝库耦合瞬态分析方法EI北大核心CSCD

为高效模拟地震激励下坝库耦合瞬态响应,建立了无限水库的连分式与有限元法的耦合公式。结合坝体有限元公式,利用坝库耦合项,发展了坝库耦合瞬态分析迭代算法。利用该算法分析了水平向地震激励下重力坝的瞬态响应。比较了基于连分式法、动态刚度矩阵法、动态质量矩阵法模拟坝库耦合问题的计算效率。数值算例表明该耦合算法模拟坝库耦合瞬态响应的正确性及高效性。该方法继承了比例边界有限元法的精度高、离散单元少等特点,又避免了其卷积积分,提升其计算效率,为坝库耦合瞬态响应提供了一种高效分析方法。     

气动调节阀最优分数阶PID控制器设计EI北大核心CSCD

针对工业控制过程气动调节阀阀位控制中非线性,模型不精确等问题,提出一种基于分数阶PID控制器(fractional order PID controller, PI~λD~μ)的阀位控制方法。分析气动调节阀工作原理并建立其数学模型,为提高模型准确性,针对分数阶PID控制器参数整定范围广、复杂性高等问题,提出一种改进量子粒子群算法(improved quantum particle swarm optimization, IQPSO)整定分数阶PID控制器参数,引入混沌映射和非均匀高斯变异增强算法寻优能力,将改进算法用于调节阀控制系统模型辨识。仿真与试验结果表明,相比于整数阶PID控制器,所设计的分数阶PID具有更快的响应速度和控制精度,能更好地满足气动调节阀阀位控制要求。     

结构声学耦合随机性分析的等几何有限元-边界元法研究EI北大核心CSCD

采用有限元法(FEM)进行水下壳结构振动响应分析,边界元法(BEM)进行结构振动声学分析;组合有限元法与边界元法构成耦合FEM-BEM方法进行水下薄壳结构声振强耦合分析。为了克服传统拉格朗日函数近似几何模型与物理场插值计算时的不连续与低精度问题,采用Loop细分曲面等几何法构建几何模型,并采用相同的样条函数进行物理场高阶插值计算,实现水下声振强耦合系统的CAD/CAE的集成分析。随机性分析致力于研究系统输入的不确定造成的输出不确定。蒙特卡罗模拟(MCs)因简单直接被认为是解决复杂多维不确定性问题的通用工具,然而巨大的计算成本降低了其适用性。采用本征正交分解(POD)和径向基函数(RBF)可降低计算成本,提高计算效率,实现基于MCs的快速随机性分析。考虑结构材料属性参数以及结构形状参数的不确定性对计算结果的影响,采用MCs分析随机变量下的结构声学响应的统计特征。最后通过若干算例验证该算法的正确性与有效性。     

隔震结构复振型分解反应谱方法研究EI北大核心CSCD

隔震结构一般具有非比例大阻尼特性,使得复振型分解反应谱方法的研究越来越重要。该研究通过隔震结构运动方程考虑非比例阻尼矩阵的耦合影响,根据复模态和平稳随机过程理论提出了隔震结构复振型分解反应谱方法,分别采用瑞利阻尼、振型叠加阻尼系数和阻尼比换算阻尼系数3种方法来组装形成4种不同的非比例阻尼矩阵,并以隔震结构特点分析了阻尼矩阵适用性;随后对比分析了在天然波反应谱作用下,不同阻尼矩阵组装方式下隔震层等效周期、等效阻尼比、对完全平方组合(CQC)和复振型完全平方组合(CCQC)方法计算精度的影响规律;最后基于设计反应谱CQC和设计反应谱CCQC反应谱方法,研究了隔震层不同等效周期和等效阻尼比对隔震结构的楼层位移、楼层剪力和楼层倾覆矩误差影响规律。研究结果表明,阻尼系数方法更适合用于非经典阻尼矩阵的构造,CQC反应谱方法在近场地震下不能准确反映实际响应,且其使用范围受限较多,而CCQC反应谱方法可以很好的反映隔震结果的地震响应。     

弹性支撑模型对火箭发射过程结构振动响应影响研究EI北大核心CSCD

固体火箭从发射筒发射过程中,采用弹性支撑降低火箭结构与发射筒内壁接触引起的冲击,弹性支撑力学模型对火箭发射过程中结构振动响应计算存在影响。利用多体动力学建立包含火箭、发射筒、弹性支撑在内的发射动力学模型,在火箭发射物理过程分析基础上,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立火箭壳体与弹性支撑局部有限元模型,获得了火箭壳体与弹性支撑接触面积变化对支撑刚度影响规律,在此基础上,提出了用于火箭发射多体动力学建模的弹性支撑改进模型,求解弹性支撑模型改进前后火箭发射过程结构振动响应与弹性支撑支反力,分析了弹性支撑模型改进对结构振动响应的影响及其原因。结果表明:提出的弹性支撑改进模型可以准确描述火箭尾部结构脱离弹性支撑过程中接触面积逐渐变化到零的物理过程;与弹性支撑模型改进前相比,改进后结构弯矩响应峰值显著减小。该成果有助于准确评估火箭发射过程结构响应水平,对于火箭结构精细化设计具有工程意义。     

基于多通道一维卷积神经网络的刀具磨损动态预测模型EI北大核心CSCD

针对同一工况下不同刀具磨损预测建模中的数据分布不同,从而导致的历史模型失效问题,提出了一种基于多通道一维卷积神经网络的刀具磨损动态预测建模方法。历史刀具磨损数据训练的多通道一维卷积神经网络,作为初始的刀具磨损预测历史模型。最大均值差异(maximum mean difference, MMD)法对不同刀具磨损数据进行相似度检测,当相似度相差较大时,在历史模型的基础上进行迭代更新,更新后的模型再对磨损数据进行预测。铣削试验验证结果表明,该方法能够准确预测不同刀具的磨损值大小,具有较好的自适应能力。     

多轴向与单轴向随机激励下结构动力学响应对比研究EI北大核心CSCD

为了分析结构在多轴向与单轴向振动环境下疲劳失效行为存在的差异,从理论分析、数值仿真以及试验研究三个方面,对典型结构开展了多轴向与单轴向随机振动环境下动力学响应对比研究。研究结果表明:多轴向振动环境能够同时激发结构不同方向的模态振型,在三个轴向互不相关的振动环境下,结构的动力学响应为各个方向单轴向振动时引起的动力学响应的叠加;若各轴向载荷间存在相关性,则其相关性对结构动力学响应存在明显影响,且影响是有规律的。对以上结论产生的原因进行了分析研究,为两种工况下结构振动疲劳失效行为的研究奠定了基础。     

单相H桥光伏逆变器的混沌控制EI北大核心CSCD

逆变器是强的非线性系统,它通常具有复杂动力学现象,例如跨临界分岔、倍周期分岔等,它会大大增加输出电流的谐波含量,降低变换器的效率,使其发生振荡乃至崩溃。目前大多数混沌控制存在建模困难、控制效果不明显、稳定性不强的缺点。针对此,提供了一种全新的混沌抑制方式,即改进余弦延时反馈控制(improved cosine delay feedback control, ICDFC)。该方式先使用被控对象的输出量和自身延时一个周期的差值作为反馈量,该反馈量再经过余弦函数环节和反馈控制参数之后得到控制信号,并将该控制信息以反馈形式直接作用到被控对象中。同时构建系统频闪映射模型并寻求系统的Jacobian矩阵和平衡点,最后基于朱里判据给出了反馈控制参数的限定条件。为说明所提出混沌控制方法的优越性,开展了大量的仿真模拟试验,并与指数延时反馈控制进行比较。结果表明,ICDFC能更有效地抑制逆变器的混沌行为,且大大增加了系统运行的稳定域。     

融合经验模态分解与模糊熵的薄板结构损伤识别EI北大核心CSCD

针对薄板结构中损伤兰姆波信号提取及表征困难两大问题,提出了一种融合经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)与模糊熵(fuzzy entropy, FEn)的薄板结构损伤识别新方法。该方法首先基于EMD从复杂的兰姆波信号中提取并分离与结构损伤相关的信号;再利用提取出的损伤信号的归一化模糊熵作为损伤指数对结构损伤大小进行定量表征,从而实现薄板结构的损伤识别。设计的三组碳纤维增强复合材料板(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)划痕损伤识别试验验证了该方法的可行性,试验结果表明:归一化后的模糊熵与CFRP板划痕损伤大小呈现较好的线性增加的关系,利用该线性关系可以对CFRP板划痕大小进行识别;与基于奇异谱-模糊熵的结构损伤识别方法相比,该研究所提方法识别效果更佳。     

兆瓦级风电齿轮箱传动系统瞬态动力学响应等效缩减方法EI北大核心CSCD

随着风电齿轮箱朝10 MW及以上超大功率发展,其全尺寸测试受到试验台架功率限制的问题愈发明显。该研究提出了兆瓦级风电齿轮箱传动系统瞬态动力学响应等效缩减方法,以某型5 MW风电齿轮箱为研究对象,建立了风电齿轮箱传动系统变速动力学模型,并基于量纲理论推导了适用变速工况的风电齿轮箱传动系统等效缩减动力学相似关系,对比分析了原型与缩减后的风电齿轮箱传动系统固有特性与振动响应。研究结果表明,缩减后的风电齿轮箱传动系统固有频率、模态振型与原型满足相似关系,并且缩减后的风电齿轮箱传动系统稳态响应、瞬态响应均与原型满足相似关系,最大误差小于3%。该方法可以为风电齿轮箱等效缩减设计提供一定的参考依据。     

爆炸荷载作用下RC梁-板子结构抗连续倒塌动力效应研究EI北大核心CSCD

为研究爆炸荷载作用下建筑结构的抗连续倒塌性能。通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁-板子结构的抗连续倒塌动力效应进行研究,并对混凝土强度、钢筋配筋率和跨高比等参数进行拓展分析。研究结果表明,通过瞬间去柱模拟爆炸去柱会造成结构残余承载力和结构局部损伤程度偏保守或者偏高的后果。混凝土强度对结构的动力效应影响显著,当混凝土强度大于C40时,结构的压膜及压拱机制已足够阻止连续倒塌的发生。配筋率的提高对压拱机制抗力影响不大,但能显著提高悬链线机制的抗力。跨高比对结构抗力机制的发展有着显著的影响,降低跨高比可以提高结构压拱和压膜机制抗力,但是对悬链线机制抗力影响不大。     

基于机器学习的单钢板混凝土组合板冲击响应预测及优化EI北大核心CSCD

单钢板混凝土组合(half steel-concrete composite,HSC)板的抗冲击性能十分出色,可有效抵挡落石冲击。在符合相关规范要求的前提下,可通过设计降低HSC板在落石冲击作用下的变形,以最大限度地保护山区基础设施和人民的安全。为快速、准确地处理HSC板的变形和设计参数之间的复杂非线性关系,基于三种机器学习算法分别建立冲击作用下HSC板最大变形的预测模型,并通过有限元结果对模型进行验证;在此基础上,以落石冲击下HSC板的最大变形、自质量和造价为优化目标,采用遗传算法对某山区建筑中某HSC屋面板进行优化设计,求解HSC屋面板的厚度、连接件尺寸等设计参数的最优解集。研究结果表明,高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)模型对HSC屋面板变形的预测精度最高,可代替复杂耗时的有限元计算,有效提高目标方程的计算效率,且最终的优化结果给出了多种优化方案,可有效降低HSC屋面板变形,为工程设计提供参考。     

古筝弦-码结构的三维动力学分析与试验验证EI北大核心CSCD

弦-码结构是古筝发声系统的重要组成部分,也是古筝发声机理研究的首要问题。将古筝琴码考虑为刚性双码脚,弦振动考虑为有界弦振动,建立了弦-码结构的三维动力学简化模型,给出了其对应各码脚法向作用力的解析表达式,通过该解析公式利用MATLAB软件数值计算分析了不同拨弦角度(γ=0°,γ=45°,γ=90°,γ=135°)时各码脚法向作用力的变化规律,并进行试验测量验证。结果表明:弦-码结构的三维动力学模型有效、可靠;水平拨弦(γ=0°)时,左码脚动态力的最小值接近于0,说明该码脚几乎脱离琴体表面,可见水平拨弦易造成跳码,与实际古筝演奏情况符合;竖直拨弦(γ=90°)时,左右码脚的作用力同相位,且合力最大;45°角拨弦(γ=45°)与135°角拨弦(γ=135°)琴码两码脚作用力反对称,且两种拨弦方式左右码脚的作用力相位均相反;研究结果优化了古筝弦-码结构的动力学模型,总结了不同拨弦方式下码脚作用力的变化规律,为古筝的进一步研究提供参考。