正交球面波源的近场声全息射线波函数波叠加法

在基于传统波叠加法的近场声全息技术中，多采用辐射球面波的单极子作为等效源，易导致传递矩阵病态，利用射线波函数替换球面波函数可有效改善传递矩阵病态性。然而，以往的射线波函数法采用格林函数的方向导数作为波函数，其解析表达式复杂，计算效率低。此外，以往方法的波函数指向设置对节点分布方式要求较高，限制了其应用的灵活性。针对上述问题，采用（n，0）阶的球面波源重新构造了一系列射线波函数，该射线波函数可利用球 Hankel函数和 Legendre 多项式的递推形式方便地计算出其任意阶的表达式，大幅提高了效率。通过改进射线波函数的主指向设置，使其在实际使用中更加灵活，提出一种基于正交球面波源的射线波函数波叠加法。利用正四面体辐射体、两端带球帽的圆柱辐射体和简支矩形钢板声源 3 个数值仿真，对比验证了传统方法和所提方法在声场重建中的效果。仿真结果表明：在声场细节信息较为丰富的高频下，即便采用正则化方法求解，传统波叠加法由于传递矩阵病态严重，在 3 个仿真中均难以保证重建精度，误差为 20% 左右；而建立的射线波函数法则有效降低了传递矩阵的条件数，改善了系统病态性，获得了更高的重建精度，误差在 5%~10% 之间，说明了所提方法更具优越性。     

基于波叠加法近场声全息的一种组合型射线波函数法EI北大核心CSCD

在传统基于波叠加法的近场声全息技术中,单极子等效源所辐射的球面形式波函数极易导致传递矩阵因强线性相关性而病态。利用指向性射线波函数替换球面波函数可使传递矩阵趋于主对角占优,有效提高重建稳定性。然而,以往的格林函数方向导数型射线波函数是一种指向性强度随着求导阶数离散变化的离散型射线波函数,无法得到针对不同重建模型的最优指向性强度,一定程度上影响了声场的重建精度和稳定性,甚至可能导致重建失败。针对该问题,构造了一种由0阶射线波函数和m阶射线波函数构成的组合型射线波函数,并结合辅助点法和遗传算法提出了一种选择组合参数的方法。最后,利用球面活塞声源、随机点声源以及简支板声源验证了组合型射线波函数在声场重建中的有效性。计算结果表明:由于组合型射线波函数可以通过组合参数灵活调节射线波函数的指向性强度,改善了离散型射线波函数的缺陷,其重建精度和稳定性均优于离散型射线波函数;而且,通过选择合适的组合参数,在离散型射线波函数完全失效的情况下,组合型射线波函数仍可获得较理想的重建结果。     

适用空间网格结构模态识别的改进功率谱峰值法

根据空间网格结构模态密集特点,对传统功率谱峰值法进行改进。提出在获得所有测点平均正则化功率谱基础上,结合结构的理论振型特点计算辅助正则化功率谱,取两者并集为模态识别结果的方法,讨论有关判断准则。改进的功率谱峰值法可更好地避免模态遗漏及进行重叠频率的筛选,网架模型算例表明效果良好。并将编制的分析软件应用于深圳大运会主场馆振动监测系统中。     

基于Tikhonov正则化及奇异值分解的载荷识别方法

针对矩阵求逆法应用中存在的病态逆问题,用Tikhonov正则化及奇异值分解法解决。通过对平板模型仿真分析,利用频响函数法矩阵条件数评价系统的病态性,系统病态性不同时用奇异值分解法与基于不同正则化参数选择的Tikhonov方法对载荷进行识别。研究表明,条件数大于1000时,Tikhonov正则化方法识别误差较小;反之,奇异值分解法较优。提出综合使用Tikhonov正则化与奇异值分解的载荷识别方法,给出方法流程。仿真与实验结果表明该方法可提高结构载荷识别精度,具有一定工程应用价值。     

基于小波有限元法的连续梁移动荷载识别

将待识别车载简化为移动荷载投影到小波空间;车载所作用的连续梁模型以小波尺度函数为插值函数,以小波有限元法为建模方法,并通过单元转换矩阵实现了小波空间向物理空间的变换;采用部分加速度信号作为测得动响应数据,据此积分求出速度与位移响应并用于识别移动荷载。识别方法则借助了动态规划法与正则化法,避免了时程分析中的振荡现象。仿真算例验证了小波有限元用于连续梁模型移动荷载识别的可行性,且单元数较少;识别过程中所用一阶Tikhonov正则化法具有平滑去噪能力。     

复阻尼结构动力方程的增维精细积分法

为了避开求解复阻尼结构强迫激励动力学方程的积分运算,引入增维精细积分方法。根据复阻尼系统复化对偶原则,将动力学方程和激励波对偶复化为实部和虚部的形式,推导出增维矩阵的精细积分求解过程。结果表明,由于不用求解迭代矩阵H的逆矩阵,避免了矩阵奇异带来的计算解的不稳定性。在计算矩阵仅增加一维的情况下,化积分运算为代数运算,扩大了精细积分法的应用范围。通过对比增维精细积分法和频域法计算结果,二者结果保持较高的一致性。     

渐变截面梁波透射反射系数求解的数值验证

推导任意截面形状的预应力Timoshenko梁波动微分方程,对预应力箱板梁渐变截面段弹性波透(反)射系数矩阵进行计算,为求得小端传播到大端的透射波幅值,将渐变截面梁近似当作具有一系列截面间断的阶梯梁,按层状结构波传播的传递矩阵法求波幅在大小端间的透(反)射系数矩阵,通过基于Maple软件平台编写子程序对梁截面尺寸及渐变段分段数目对透(反)射系数矩阵精确性的影响进行数值分析。在波动微分方程伽辽金近似解基础上,对渐变截面段梁波透(反)射系数矩阵的求解法进行数值验证,验证中以第一类贝塞尔函数组合作为系数具有高次项幂级数函数的高阶常微分方程伽辽金法近似解的试函数,该试函数对这类方程具有普遍的适用性。     

一种基于频响因子的转子系统基础冲击响应计算方法

考查地震或水下非接触爆炸冲击下旋转机械的动态响应特性,一般从研究转子系统基础冲击响应出发。由于陀螺效应和转子-轴承的交互效应,转子系统运动方程系数矩阵呈非对称性,不能在模态坐标下解耦,无法利用常规模态叠加法求解,所以以往的研究一般采用数值积分如Newmark法等进行迭代求解,但数值积分法相对模态叠加法要耗费较多的计算资源。提出了一种复数域内转子系统冲击响应计算方法,无需坐标解耦但仍可以利用线性叠加法进行响应求解。首先将激励和响应傅立叶展开成复数形式,包括正向旋转项和反向旋转项,根据方程左右两边相同频率前系数相等的事实得到特征方程,将特征方程写成简单矩阵束的本征方程形式,求得矩阵束的本征值和本征向量,将本征向量正规化,进一步得到矩阵束的逆阵,将逆阵元素取名为“频响因子”,将逆阵与激励相乘即可得到频率响应幅值,将所有频率响应成分叠加即可得到系统响应。通过一个工程实例,比较了所提方法与数值积分方法的结果,比较分析表明,所提方法满足工程要求,可以作为转子系统基础冲击响应和瞬态响应计算的一种普适方法。     

基于形函数方法快速识别结构动态荷载的试验验证

在动态荷载识别中常常由于矩阵的病态性影响识别的精度,利用有限元理论中的形函数逼近荷载曲线,将识别离散的荷载历程转化为计算有限的形函数权重,从而显著改善反卷积法识别荷载中存在的采样时间长或采样频率高时数值求解困难的问题;并能改善反问题的病态性,提高对噪音的鲁棒性。一个连续梁的数值算例比较验证了该方法在5%的高斯噪声影响下能精确地识别未知荷载。悬臂梁试验中,通过实测的结构动态响应,在移动时间窗内利用荷载形函数方法可以实现激励的在线识别。     

广义Tikhonov正则化工况传递路径分析

工况传递路径分析(OTPA)是定位振动噪声问题的有效方法,广泛应用于各类工程领域中。但工况传递路径分析在估计传递率函数矩阵时,是一个病态的反问题,常用标准Tikhonov正则化法来改善病态性。标准Tikhonov正则化法以单位矩阵为正则化矩阵,经奇异值分解,得到的奇异向量振荡较严重,构成的正则化解准确度较低,因此路径贡献量的计算精度较低。针对此不足,以一阶偏导矩阵作为正则化矩阵,结合广义奇异值分解,得到振荡幅度更小的广义奇异向量。以广义奇异向量为基向量,并采用L曲线法选取正则化参数,得到广义Tikhonov正则化解,从而实现工况传递路径分析。最后通过工况传递路径分析仿真与实验验证了广义Tikhonov正则化工况传递路径分析方法的有效性。结果表明,与标准Tikhonov正则化相比,各路径贡献量的准确度更高,有效地提高了工况传递路径分析的精度。     

动力系统非连续单一叠加结构界面变形与能量损耗特性

振动与其能量通过多层叠加结构的非连续界面的传递机理和损耗特性是一项研究较少的难题,考虑其结构界面粗糙度影响的更少.通过建立"单层绝对光滑金属板一刚性平面"和"单层粗糙金属板一刚性平面"的单界面模型,采用有限元方法,对加载与卸载过程中,具有不同界面形态、不同塑性材料特性和界面摩擦的单层模型界面的接触力和变形进行计算,研究了单一界面上的接触力一变形关系,以及由塑性变形与界面摩擦引起的能量损耗特性,获得描述单一界面能量损耗与接触变形的关系表达式.为研究振动和能量在多层叠加结构的非连续粗糙多界面上的传递机理和损耗特性提供了基础.     

多轴振动试验控制的整型权函数法

研究了应用于多轴向多激励随机振动控制的H∞整型控制方法,并且针对在频响函数矩阵病态的频率点处,响应自谱和互谱超出工程预定参考谱目标的情况,分解设计了H∞整型加权矩阵,从而改进频响函数矩阵病态情况,并对系统进行算法解耦。然后用整型矩阵对驱动信号的傅氏谱进行修正,进入控制回路迭代运算。实验验证表明,用文中算法设计整型权函数矩阵并修正驱动信号,可以有效的改善响应自谱和互谱的控制效果,抑制某些频率点处频响函数的不良影响。     

基于附加源波叠加法的声辐射计算研究

针对单极子波叠加法在特征波数处声场解的非唯一性问题,采用一种通过添加附加源克服解非唯一性的方法-附加源波叠加法,即在单极子波叠加法的基础上添加一定数量附加源从而获得声场全波数域内的唯一解。本文给出了具有解析解的脉动球源、振荡球源及无解析解的立方箱体结构三个数值算例。计算结果表明：对于脉动球源,添加一个附加源就可较好解决声场解的非唯一性问题;对于振荡球源,增加附加源个数可解决声场解的非唯一性问题,但会降低声场解的精度,但通过增加单极子源个数可以很好提高计算精度;该方法计算效率略低于复数矢径波叠加法,但较三极子波叠加法效率更高;对于立方箱体结构,确定了最佳的附加源个数,保证了声场解的唯一性。     

基于载荷重构的冲击力校准方法

在落锤式冲击力校准系统中,针对非刚体的落锤测量点与撞击点的冲击力不相等会产生测量误差的问题,提出了基于载荷重构的冲击力校准方法。该方法采用r阶累加预测模型对测量响应进行滤波;通过落锤核函数矩阵的正则化,建立测量点与撞击点之间的载荷重构模型,实现冲击力测量误差的补偿。利用该方法进行冲击力测量实验,实验表明该方法的峰值相对误差(PRE)为0.6%,相对误差(RE)为3.1%;传统测量方法的PRE为5.7%,RE为6.8%,该方法的PRE和RE分别比传统测量方法改善89.2%和54.8%。该方法能有效降低冲击力的测量误差。     

基于敏度分析的框架抗震优化

针对目前结构抗震优化设计方法存在优化效率低下的问题,提出一种高效的框架抗震优化设计方法。在有限元法和Newmark法基础上导出一种高效的层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的算法,建立显含时间参数,以结构质量最小化为目标,同时满足层间相对位移和设计变量约束的优化数学模型,通过积分型内点罚函数将显含时间参数的不等式约束优化问题转变为一系列不含时间参数的无约束优化问题,利用层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的信息计算罚函数的梯度和海森矩阵,然后利用梯度和海森矩阵构造求解优化设计问题高效有效的优化算法。算例表明本文的抗震优化方法能获得结构的最优设计,具有简单、下降速度快、不需要进行一维搜索等特点。是一种有效和高效的框架抗震二阶优化方法。     

基于Gibbs抽样的结构时域载荷识别

载荷识别的病态问题往往采用正则化技术处理,不过传统正则化方法所选取的正则化参数是恒定不变的,导致识别出的载荷精度不是很高。提出了基于Gibbs抽样的结构时域载荷识别方法,将未知载荷和测量噪声假设为随机变量,建立了载荷识别的多层贝叶斯模型,采用Gibbs抽样法获得载荷的后验值。相比于传统正则化方法,该法具有本征的自适应正则化性能。数值结果表明,该法可提高载荷识别精度,自适应的正则化参数具有良好的优越性。     

风振响应计算的新方法——广义坐标合成法

风振响应通常根据激励的功率谱矩阵,采用完全二次型组合(CQC)或其改进算法进行计算。但对于已由风洞试验给出激励时程的结构而言,采用广义坐标合成法(GCS)可获得更高的计算效率和更快的计算速度。该方法利用单自由度广义坐标方程的频域数值解法,求解广义坐标时程,进而根据振型叠加法得出响应时程或响应方差。对于加速度响应,则首先计算广义坐标的加速度时程然后再叠加。求解响应方差时,GCS的计算量和计算规模通常不到CQC改进算法的1/10,而计算结果与CQC方法完全等价。该方法的另一突出优点是可方便的得到响应时程,这为开展响应构成和概率特性的研究创造了有利条件。通过两个典型算例阐述了该方法的具体应用,证明该方法具有高效、快速、准确的特点。     

基于R-SOBI的结构模态参数辨识方法

提出了一种基于稳健SOBI算法提取结构/系统的频率、阻尼比及模态振型的方法。运用该法提取系统/结构模态参数的步骤为:首先利用稳健SOBI的盲源分离方法采集的信号进行分离,然后将分离矩阵作为结构/系统的模态振型矩阵,最后再对各个分离后的单自由度信号提取频率、阻尼比参数。研究结果表明,提出的方法可以准确提取出结构/系统的模态参数,尤其是即使噪声环境下仍然能准确提取出系统的模态振型矩阵。     

总体最小二乘正则化算法的载荷识别

载荷识别中存在病态矩阵求逆的不稳定性将导致解严重失真。在总体最小二乘(Total Least Squares TLS)算法的思想上进行Tikhonov正则化,构造载荷识别的目标函数。然后利用共轭梯度(Conjunction Gradient CG)法解算该目标函数的最优化问题,提出一种算法易实现、收敛性能好、存储量小,且能全面考虑随机误差影响的CG-TLS正则化算法。经仿真和试验探讨了传递函数矩阵病态产生的原因,借助条件数优选振动响应点,最终检验CG-TLS正则化算法与常用的两种正则化算法在不同噪声水平时载荷识别的效果。结果表明,CG-TLS正则化算法载荷识别效果最优,与真实值吻合好,并具有良好的鲁棒性。因此,应用CG-TLS正则化算法实现载荷识别极具实际意义。     

饱和土中伴有排水问题的爆炸场动力反应Green函数计算

饱和土在动力作用下伴有排水的反应是工程中常见的现象,其计算也是一个非常复杂的数学力学问题。根据已经求得的集中力作用下两相饱和介质Green函数基本解,得到球坐标的扩张源固相位移时域Green函数的表达式。再以物理的方法推导出球坐标中心扩张源时域流相的压力Green函数;以及相对应的注入流相后,场点的时域固相位移Green函数和流相压力Green函数的表达式。再结合导出的两相饱和介质Lamb方程,进行动力排水问题的计算,解决饱和土爆炸场中伴有排水的动力反应计算问题。