基础激励下含间隙折叠舵面非线性系统辨识

间隙在飞行器折叠舵面中普遍存在且不易准确描述,通过辨识方法获得间隙的真实非线性特性具有重要意义。基于直接参数估计方法建立基础激励下含间隙非线性系统辨识模型,利用相对速度和相对位移的多项式表征非线性系统的恢复力;引入显著因子剔除多项式中影响度较低的基函数,采用最小二乘求解得出恢复力多项式中各项系数,由不同自由度之间的相对关系组装出整个系统的辨识模型;通过比较基于辨识模型的系统响应和实测系统响应之间的均方误差来评价辨识精度。基础激励下含间隙三自由度结构系统数值算例的辨识结果表明:含间隙非线性系统的恢复力可通过增加刚度立方项进行准确逼近;选取折叠舵面上两处测点分别在无间隙和有间隙的工况下进行辨识,辨识所得运动方程均能较好地描述两测点的动力学特性,对含间隙折叠舵面非线性系统的离散化建模与动力学分析具有重要工程意义。     

钻柱纵向和扭转振动分析

介绍钻柱的振动状态和产生振动的原因.针对钻柱的纵向振动,分别建立了力激励法和位移激励法的数学模型;计算结果表明,力激励法与位移激励法求得的消振转速相反,即力激励法的消振转速恰恰是位移激励法的共振转速,反之亦然;传统多以力激励为边界条件来研究钻柱纵向振动的频率响应,并指导现场消振作业的,这样给出的最佳消振转速,恰恰是共振转速;在钻井作业中,钻头的纵向跳动比纵向受力的变化要稳定得多,钻柱的动负荷比动位移重要得多,应该用位移激励法研究钻柱的纵向振动问题.针对钻柱的扭转振动问题,分别建立了扭矩激励法和转角激励法的钻柱扭转振动数学模型;证明用转角激励法来研究钻柱的扭转振动更符合实际.     

Data based model free hysteresis identification for a nonlinear structure

In the last two decades, the damage detection for civil engineering structures has been widely treated as a modal analysis problem and most of the currently available vibration-based system identification approaches are based on modal parameters, namely the natural frequencies, mode shapes and damping ratios, and/or their derivations, which are suitable for linear systems. Nonlinearity is generic in engineering structures. For example, the initiation and development of cracks in civil engineering structures as typical structural damages are nonlinear process. One of the major challenges in damage detection, early warning and damage prognosis is to obtain reasonably accurate identification of nonlinear performance such as hysteresis which is the direct indicator of damage initiation and development under dynamic excitations. In this study, a general data-based identification approach for hysteretic performance in form of nonlinear restoring force using structural dynamic responses and complete and incomplete excitation measurement time series was proposed and validated with a 4-story frame structure equipped with smart devices of magneto-rheological (MR) damper to simulate nonlinear performance. Firstly, as an optimization method, the least-squares technique was employed to identify the system matrices of an equivalent linear system of the nonlinear structure model basing on the excitation force and the corresponding vibration measurements with impact test when complete and incomplete excitations; and secondly, the nonlinear restoring force of the structure was identified and compared with the test measurements finally. Results show that the proposed data-based approach is capable of identifying the nonlinear behavior of engineering structures and can be employed to evaluate the damage initiation and development of different structure under dynamic loads.     

凸轮机构两质量动力学模型的运动误差及接触力分析

针对凸轮机构线性单质量、单自由度动力学模型的局限性,利用集中参数法提出了一种两质量的动力学模型．以凸轮输出为余弦运动形式为例,分析了两质量动力学模型中从动件的输出位移、输出误差及凸轮与从动件间的接触力,并以一个设计实例进行了求解．结果表明：由两质量模型可以得到机构的运动误差、凸轮与从动件间的接触力及凸轮转速对运动误差和接触力的影响.这些结果对凸轮机构的设计具有一定的指导意义．     

基于速度的显式等效力控制方法的研究

该文采用等效力控制(EFC)来求解在实时子结构试验中的速度差分方程,采用反馈控制取代数学迭代来求解非线性动力方程。谱半径分析表明,由于准确地模拟了速度响应,结合显式Newmark-β算法的等效力控制方法的稳定界限与系统的阻尼系数无关,在不同阻尼比下稳定界限保持为Ω=2,具有良好的数值特性。而直接预测速度的中心差分法和采用线性插值模拟速度的平均加速度等效力控制方法,其稳定界限随着系统阻尼比的增大而降低,对于过阻尼结构(阻尼比大于1),原本无条件稳定的平均加速度等效力控制方法变为条件稳定:对于阻尼比为1.05的动力系统,其稳定界限为Ω=1.45。最后,采用该文方法对安装磁流变(MR)阻尼器的单自由度结构的地震响应进行数值分析,结果表明该文方法能正确跟踪结构速度和位移命令,因而对于速度相关型结构体系,具有良好的适用性和精确性。     

基于振动测试的非线性参数识别方法

研究了利用特殊的正弦扫频技术识别非线性参数的方法。该方法利用目前线性系统成熟的模态分析技术,并结合等效线性化理论,通过振动测试识别结构的非线性参数,可以建立一个更加准确的模型来反映非线性结构的动力学特性,从而提高模型的预测精度。该方法包括两部分：（1）常位移测试识别非线性刚度;（2）常速度测试识别非线性阻尼。常位移测试是在一次正弦扫频过程中,通过调整各频率下的激励力幅值使得位移响应的幅值为常数,获得一组频响函数,通过模态分析获得等效刚度;改变位移响应的幅值进行多次测试,获得多组等效刚度;对获得的一系列恒定位移响应下的等效刚度进行曲线拟合,即可获得所有线性和非线性刚度参数。常速度测试与其类似。以三自由度非线性系统为例,进行了常位移测试和     

混合基础隔震耗能结构基于Clough-Penzien谱的地震动响应的简明解析解

在基础隔震层设置侧向黏弹性阻尼器组成混合基础隔震体系,可有效降低基础隔震结构过大的侧移,然而此类结构基于Clough-Penzien谱(C-P谱)的随机地震动响应解法较为复杂,提出了一种简明解析法.首先利用滤波方程,将混合基础隔震耗能结构基于C-P谱的地震动精确的转化为基于白噪声激励的地震动;其次运用复模态法获得耗能结...     

动力实时子结构试验中心差分法的稳定性

在实时子结构试验中,如果试件的反力不仅与位移有关,还与速度和加速度有关,那么对拟动力试验而言为显式方法的标准中心差分法变为隐式方法。为了使算法成为显式方法,需要引入速度和加速度的附加假定,这将导致算法的数值性能发生变化。为研究新算法的数值稳定性,在前期工作的理论基础上,针对动力子结构试件进行了试验研究。研究表明:算法的稳定性受试验子结构与数值子结构质量比的影响,且当试验子结构为动力子结构时,只要数值子结构与试验子结构的阻尼均为零,算法就是无条件不稳定的。     

谐波驱动柔性关节机械臂接触力的动态特性

谐波驱动柔性关节机器人在约束空间的接触力的动态特性与接触环境刚度密切相关,环境刚度不同导致其动态特性不同,这与机器人自身动力学特性、传感器动态特性以及环境刚度等动态特性有关.通过对单自由度谐波传动系统接触力建模、理论分析,可知谐波传动接触力的动态特性与环境刚度密切相关,当环境刚度较大时,输出力基本取决于谐波齿轮柔性关节变形的负载力.基于建立的谐波驱动系统实验平台,利用动态信号分析仪进行了接触力的模型实验辨识研究,得到从电机驱动器到力传感器输出的动态特性模型,为接触力控制器设计提供参考.从实验辨识结果验证了理论分析的正确性,并在单纯速度反馈作为主动阻尼情况下,辨识得到接触力的闭环频率响应特性,根据闭环频响可知速度反馈阻尼可以增加系统力控制的稳定性.     

模态数量对薄壁短圆柱壳振动响应分析的影响

采用振型叠加法研究薄壁短圆柱壳受谐波激励的振动响应分析时模态截断数量的影响,且考虑简支-简支、固支-固支和固支-自由三种约束条件。首先基于Love壳体理论建立薄壁短圆柱壳的动力学模型。然后,给出采用振型叠加法进行薄壁短圆柱壳受径向谐波激励时的振动响应求解方法。在三种不同约束条件下,计算采用不同模态截断数量时的稳态响应的振动幅值,对比其一致性,并与实测结果进行比较。结果表明,在这三种约束条件下计算受谐波激励薄壁短圆柱壳的振动响应,需要截取前8阶模态函数用于表征位移模式;模态数据超过8阶对响应计算的精度没有明显改善,实测振动响应结果与解析结果基本吻合。     

Transient analysis of dynamic crack propagation in piezoelectric materials

Abstract

In this paper, the transient analysis of semi‐infinite propagating cracks in piezoelectric materials subjected to dynamic anti‐plane concentrated body force is investigated. The crack surface is assumed to be covered with an infinitesimally thin, perfectly conducting electrode that is grounded. In analyzing this problem, it has characteristic lengths and a direct attempt towards solving this problem by transform and Wiener‐Hopf techniques (Noble, 1958) is not applicable. In order to solve this problem, a new fundamental solution for propagating cracks in piezoelectric materials is first established and the transient response of the propagating crack is obtained by superposition of the fundamental solution in the Laplace transform domain. The fundamental solution to be used is the responses of applying exponentially distributed traction in the Laplace transform domain on the propagating crack surface. Taking into account the quasi‐static approximation, exact analytical transient solutions for the dynamic stress intensity factor and the dynamic electric displacement intensity factor are obtained by using the Cagniard‐de Hoop method (Cagnard, 1939; de Hoop, 1960) of Laplace inversion and are expressed in explicit forms. Numerical calculations of dynamic intensity factors are evaluated and the results are discussed in detail. The transient solutions for stationary cracks have been shown to approach the corresponding static values after the shear wave of the piezoelectric material has passed the crack tip.     

数控机床整机动态特性评价方法

动态特性是衡量机床性能的一项重要指标,但目前并没有较好的数控机床整机动态特性评价方法。利用真实的动态切削力对数控机床进行激励,能够快速获取机床在切削力作用下的动态特性。鉴于切削参数会影响各频率成分对应的切削力幅值,基于不同工件材料和切削参数下的动态切削力,建立动态激振力模型,通过分频段激励来检验数控机床在不同频段下的动态特性。通过有限元仿真分析,判断数控机床在各个频段下的动态特性;对振动信号进行快速傅里叶变换,得到机床振动时的主要频率成分,为优化机床动态特性提供指导;对比各种动态切削力激振下不同机床的动刚度,评价不同机床动态特性的优劣。最后,通过激振试验验证了仿真结果的准确性。结果表明上述方法简单实用,能快速评价数控机床的动态特性,具有一定的实用价值。     

带惯性力修正的循环力校准方法研究

疲劳试验设备对试样施加的力值,在静态和动态时的准确度不一致。本文通过建立疲劳试验设备的物理振动模型,得出循环力的误差主要是由传感器与试样间的参振质量的惯性力引入的;推导出了惯性力对循环力幅值的影响量模型,经过对惯性力影响量的修正,最终实现了疲劳试验设备的显示力值与试样的实际受力值一致的目的。采用加速度法、刚度/位移法修正方式,建立带惯性力修正的循环力校准系统,通过比对试验和数据分析,得到了两种修正方法(加速度法、刚度/位移法)以及两种校准方法(传感器法、校准棒法)之间的结果差异小于1%,验证了惯性力修正模型的有效性。     

Field‐gradient partitioning for fracture and frictional contact in the material point method

Contact and fracture in the material point method require grid‐scale enrichment or partitioning of material into distinct velocity fields to allow for displacement or velocity discontinuities at a material interface. A new method is presented in which a kernel‐based damage field is constructed from the particle data. The gradient of this field is used to dynamically repartition the material into contact pairs at each node. This approach avoids the need to construct and evolve explicit cracks or contact surfaces and is therefore well suited to problems involving complex 3‐D fracture with crack branching and coalescence. A straightforward extension of this approach permits frictional ‘self‐contact’ between surfaces that are initially part of a single velocity field, enabling more accurate simulation of granular flow, porous compaction, fragmentation, and comminution of brittle materials. Numerical simulations of self contact and dynamic crack propagation are presented to demonstrate the accuracy of the approach. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

有阻尼体系动力分析的一种显式差分法

本文利用拉格朗日型的二次插值函数近似位移反应,建立了速度、加速度的差商近似公式,进而推得集中质量阻尼体系动力分析的一种显式差分法.该显式差分格式具有二阶计算精度,与目前常用的有阻尼体系动力求解的几种格式相比,具有明显减少计算工作量的优点.     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

The probability density evolution method for dynamic response analysis of non‐linear stochastic structures

The probability density evolution method (PDEM) for dynamic responses analysis of non‐linear stochastic structures is proposed. In the method, the dynamic response of non‐linear stochastic structures is firstly expressed in a formal solution, which is a function of the random parameters. In this sense, the dynamic responses are mutually uncoupled. A state equation is then constructed in the augmented state space. Based on the principle of preservation of probability, a one‐dimensional partial differential equation in terms of the joint probability density function is set up. The numerical solving algorithm, where the Newmark‐Beta time‐integration algorithm and the finite difference method with Lax–Wendroff difference scheme are brought together, is studied. In the numerical examples, free vibration of a single‐degree‐of‐freedom non‐linear conservative system and dynamic responses of an 8‐storey shear structure with bilinear hysteretic restoring forces, subjected to harmonic excitation and seismic excitation, respectively, are investigated. The investigations indicate that the probability density functions of dynamic responses of non‐linear stochastic structures are usually irregular and far from the well‐known distribution types. They exhibit obvious evolution characteristics. The comparisons with the analytical solution and Monte Carlo simulation method demonstrate that the proposed PDEM is of fair accuracy and efficiency. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

动态镦粗过程的动力显式有限元分析

为了研究金属的三维动态锤锻成形过程,基于连续介质力学及有限变形理论,建立了一种有限元模型.采用动力分析方法,在运动方程中加入惯性力项考虑锤锻中显著的惯性效应;根据设备的工作原理按照能量守恒定律计算变形期间的锤头速度;同时,将变形视为一个绝热过程计算变形期间试样内部的温度升高.基于建立的模型开发了动力显式有限元分析程序,模拟了铅块试样在落锤打击下的动态镦粗过程,给出了试样内部的位移、等效应变、等效应力和温度分布规律.将变形后试样几何形状、成形载荷-时间曲线和锤头速度-时间曲线的计算结果与实验结果相对比,表明了开发程序计算结果的准确性.     

一族无条件稳定的显式结构动力学算法

利用离散控制理论分析HHT-α算法,提出了一族具有可控数值阻尼的无条件稳定显式结构动力学算法—显式HHT-α法,用于线性和非线性结构动力学分析。新算法采用显式的位移、速度递推式。研究了所提算法的精度,稳定性,数值色散和能量耗散特性。研究表明该算法对于线弹型和刚度软化型非线性系统是无条件稳定的,算法数值阻尼由单个参数控制,对于特定的参数值,所提算法不会产生数值能量耗散。此外所提出的显式算法的数值色散和能量耗散特性与隐式HHT-α算法相同。数值算例验证了理论分析的正确性。     

基于切比雪夫多项式模型的多自由度结构非线性恢复力时域识别

结构非线性恢复力可直接描述其在动力荷载作用下损伤发生发展过程,传统的基于特征值抽取的结构识别方法严格来讲不适应于振动过程中出现损伤的情况。该文利用结构动力响应时程的切比雪夫多项式表示非线性恢复力,在结构质量等物理参数和恢复力模型未知时,提出利用最小二乘优化算法的多自由度结构在完整及非完整激励下非线性恢复力识别方法。对一个含磁流变阻尼器的多自由度数值模型和一个带磁流变阻尼器的四层框架结构的非线性恢复力进行了识别,在数值模拟中探讨了测量噪声对识别结果的影响,并与基于幂多项式模型的方法的结果进行了对比。结果表明,所提出的非线性恢复力识别方法能对结构的非线性恢复力进行有效识别,识别精度高,可用于工程结构在强动力荷载作用下的损伤发生发展过程的监测与识别,并对结构耗能进行定量评估。