脉动风速过程模拟的正交展开-随机函数方法

在随机过程的正交展开基础上,采用随机函数的思想,提出了脉动风速随机过程模拟的正交展开-随机函数方法。通过将展开式中的一组标准正交随机变量表达为基本随机变量的正交函数形式,实现了用一个基本随机变量来表达原随机过程的目的。应用正交展开-随机函数方法,对脉动风速随机过程进行模拟分析。结果表明,在二阶数值统计意义上,仅需用一个基本随机变量即可对脉动风速随机过程进行精确模拟,进而体现了正交展开-随机函数方法的有效性和优越性。     

基于小波变换的非平稳脉动风时变功率谱估计方法研究

为揭示非平稳随机脉动风的时频特性,基于小波变换原理推导了时变功率谱的时间、频率和幅值与小波变换系数的关系,建立了非平稳随机脉动风时变功率谱估计的小波函数加权和法,并采用模拟非平稳脉动风和实测台风过程对理论推导结果进行了验证。研究结果表明:非平稳随机过程在某一时刻的不同尺度小波变换系数是一个以此非平稳随机过程的调制函数与小波函数的乘积为调制函数的非平稳随机过程的傅里叶变换,非平稳随机过程的时变功率谱等于不同尺度和不同时移的小波函数模平方的加权和,小波函数加权和法计算的非平稳随机脉动风的时变功率谱与理论结果具有良好的一致性。小波函数加权和法可有效地估计非平稳随机脉动风的时变功率谱,估计的时变功率谱可为进一步理解强(台)风的随机脉动特性奠定基础。     

非平稳脉动风速的数值模拟

非平稳脉动风速的数值模拟关键因素是要获得时变功率谱.根据进化谱理论,时变功率谱可以通过某个确定性调制函数对现有平稳功率谱(例如kaimal谱、Davenport谱或Simiu谱)进行调制而获得.但是,目前并没有值得认可的功率谱调制函数,以至于非平稳脉动风速的模拟很少被关注.为了获得合理的调制函数来实现非平稳脉动风速的模拟,首先,将某一段时间 [0,T]内的非平稳脉动风速离散成n=T/Δt段足够短时间Δt内可以近似为平稳脉动风速的时间序列;其次,当Δt→0时,通过组合n段平稳脉动风速的功率谱来获得时变功率谱;最后,通过将获得的时变功率谱等于进化谱而推导出相应的调制函数,并运用谐波合成法模拟了三个空间点的非平稳脉动风速.     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的典型建筑绕流实测

基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。     

脉动风特性及其仿真研究

在高层建筑、高耸结构和大跨度结构设计时,由于这些结构基本周期较长,风振对其设计具有较大的影响。本文通过大量现场实测脉动风记录,利用参数识别技术和优化方法,研究了脉动风速的功率谱,并与Davenport水平脉动风速谱等进行了比较;本文根据Davenport水平风速谱、西安热工所水平风速谱和本文研究的水平风速谱,利用自回归滑动平均(ARMA)模型及参数识别技术,研究了人造脉动风方法。     

具有桥塔风效应的桥梁风场数值模拟

将特征正交分解型谱表示法运用于模拟具有桥塔风效应的桥梁风场中。首先介绍桥塔风效应和桥梁风场的概率描述,然后结合模态截断技术,介绍特征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）型谱表示法,该方法是对常用的原型谱表示法的继承和提高,且物理概念更加清晰。通过引入对风速谱矩阵的显式预分解,推导模拟具有桥塔风效应的桥梁风场的简化计算公式,将对付目标功率谱矩阵的特征值分解运算简化为对实矩阵的运算。该方法可用FFT加速,相对于原有的模拟方法具有较高的计算效率。最后,以模拟龙潭河特大桥施工最大双悬臂阶段的脉动风速场为算例,解释了脉动风速过程特征正交分解模态的物理意义,说明该方法的可靠性。在算例中,观察到复杂相关结构下,特征正交分解发生振型交换的现象,并分析其原因。     

下击暴流非平稳脉动风速数值模拟

针对大气边界层近地风不同、下击暴流平均风速具有明显时变性及脉动风速具有较强非平稳特征,通过Kaimal非均匀调制函数的建立方法,获得Davenport调制函数、Simiu调制函数、Harris调制函数,为有效实现非平稳脉动风速模拟提供首要条件;考虑自回归AR模型时变性,建立非平稳随机过程TAR时变模型,为实现非平稳脉动风速模拟提供有效方法;考虑下击暴流平均风速时变特征,对下击暴流非平稳脉动风速进行模拟。结果表明,模拟的下击暴流非平稳脉动风速相关性随不同位置间距增大而减弱,振幅随时变平均风速增大而增大,与实际风场特性吻合,表明非均匀调制函数有效;功率谱时变特征明显,与目标时变谱时变特征吻合,且样本统计平均功率谱、相关函数与目标均吻合,表明下击暴流非平稳脉动风速模拟方法有效。     

脉动风速连续随机场的降维模拟

基于标准正交随机变量的波数谱表示,通过定义标准正交随机变量集的随机函数形式,建立了连续时空随机场模拟的波数谱-随机函数方法。同时,引入快速傅里叶变换（FFT）的算法,极大地提高了波数谱-随机函数方法的模拟效率。在波数谱-随机函数模拟方法中,仅需两个基本随机变量即可在概率密度层次上描述时空随机场的概率特性,并利用数论方法选取基本随机变量的代表性点集,实现对连续时空随机场模拟的降维表达。数值算例表明,当模拟相同数量的样本时,综合考虑模拟的效率和精度两方面,该文方法与传统的波数谱表示方法不分伯仲,但该文方法所需的基本随机变量最少,生成的代表性样本数量少且构成一个完备的概率集,从而可结合概率密度演化理论实现结构随机动力反应及动力可靠度的精细化分析。最后,结合Kaimal风速谱及Davenport空间相干函数模型,模拟了水平向脉动风速连续随机场,验证了该文方法的有效性和优越性。     

功率谱二次正交化法在随机地震动响应的应用

针对平稳激励下线性结构随机地震动响应方差和谱矩时频域法无解析解或时域法解析解复杂的问题,提出了结构响应功率谱的二次正交化法,并成功获得线性结构基于李鸿晶随机地震谱的系列响应（结构层位移和层间位移）的0～2阶谱矩和方差的简明封闭解。综合虚拟激励法和复模态方法,提出了线性结构频率响应特征值函数的二次正交法,即将频率响应特征值函数表示为振动复特征值和频域变量二次方和的线性组合;以李鸿晶随机地震动谱为例,基于留数定律获得该谱的二次正交式,进而获得结构地震动系列响应功率谱的二次正交式;获得了建筑结构随机地震动系列响应方差及0～2阶谱矩的统一简明封闭解。利用本文方法对一单自由度结构和一多自由度TMD耗能结构地震动响应进行分析,并与虚拟激励法进行了对比研究,结果表明本文所提方法为封闭解且可用于验证虚拟激励法谱矩分析时的精度。此外,本文方法可适用于各种线性结构基于各类平稳随机地震谱的随机响应封闭解的分析。     

实测风场的随机Fourier谱研究

根据国内某大桥桥址处实测风速资料，获得了该地区风场10m高平均风速U10地面粗糙度z0的统计概率特征，以及纵向脉动风速Fourier谱曲线；基于Kolmogrov理论，提出了随机Fourier谱经验公式，应用随机建模理论和非线性优化技术，获得了实测风场的随机Fourier幅值谱函数以及基本随机变量的概率密度函数。与实测资料Fourier谱样本集合的比较表明，本文建立的随机Fourier谱能够很好地表征实测资料Fourier谱的随机性。同时，通过实测风速资料，进一步验证了本文提出的随机Fourier谱具有很好的通用性。     

Simulation of higher-order stochastic processes by spectral representation

The Spectral Representation Method is generalized for simulation of asymmetrically nonlinear (skewed higher-order) stochastic processes. This is achieved by deriving new orthogonal increments for the spectral process in the Cramér spectral representation that include wave interactions and satisfy third-order orthogonality properties. These orthogonal increments are derived by introducing two new quantities – the pure power spectrum and the partial bicoherence – that decouple the contributions of single waves and wave interactions in the Fourier-type expansion of a stochastic process. The further extension to fourth and higher-order processes is discussed. Several mathematical examples demonstrate the capabilities of the proposed methodology to generate general third-order stochastic processes. The method is then applied to the generation of turbulent wind velocities characterized from Large Eddy Simulations of the atmospheric boundary layer.     

利用小波逆变换模拟随机风场的脉动风

首先对洞庭湖大桥处的自然脉动风进行了小波分析，从分析结果可以看出．自然脉动风具有一定的间歇性和局部相似性。传统的谐波合成法（WAWS）和线性滤波器方法（ARMA）虽然可以模拟随机风场的脉动风，但是它们无法模拟脉动风的局部相似性和间歇性。针对这一点，采用Meyer小波基，利用小波逆变换，模拟随机风场的脉动风。最后，根据目标谱，模拟了随机风场的脉动风，模拟的脉动风具有和自然脉动风类似的间歇性和局部相似性，同时模拟脉动风的风谱与目标风谱基本吻合，说明了论文方法的有效性。     

Response analysis of stochastic parameter structures under non-stationary random excitation

 The stochastic orthogonal polynomial expansion method is extended with the pseudo-excitation method in this paper. This extension enables the stochastic orthogonal polynomial method to be readily used in the analysis of stochastic parameter structures under non-stationary random excitation. The probabilistic information of structural response, such as the power spectral density, standard deviation function, etc. can be obtained directly with this method. A dynamic condensation algorithm for order-expanded equation resulting from the orthogonal polynomial expansion method is also presented in this paper. The applicability of the proposed methodology is demonstrated by numerical examples. Received 21 July 2000     

岸桥起重机随机风振疲劳可靠性分析

基于时域方法研究岸桥起重机的风振疲劳可靠性问题。采用谐波叠加法给出了符合Davenport风速谱的多维脉动风速时间历程,基于Bernoulli方程得到相应的风压时间历程,并将相应的风压荷载作用于有限元模型,采用雨流计数法处理结构关键点的应力响应。基于疲劳失效的Basquin方程、Miner线性累积损伤准则和Goodman平均应力修正方程导出疲劳累积损伤的概率模型。考虑平均风速的概率分布,提出了基于概率累积损伤机制的风振疲劳可靠度和可靠性寿命计算方法,为岸桥起重机的风振疲劳可靠性分析作了一些有益的探索和研究。     

Dimension reduction model for two-spatial dimensional stochastic wind field: Hybrid approach of spectral decomposition and wavenumber spectral representation

A renewed methodology for simulating two-spatial dimensional stochastic wind field is addressed in the present study. First, the concept of cross wavenumber spectral density (WSD) function is defined on the basis of power spectral density (PSD) function and spatial coherence function to characterize the spatial variability of the stochastic wind field in the two-spatial dimensions. Then, the hybrid approach of spectral representation and wavenumber spectral representation and that of proper orthogonal decomposition and wavenumber spectral representation are respectively derived from the Cholesky decomposition and eigen decomposition of the constructed WSD matrices. Immediately following that, the uniform hybrid expression of spectral decomposition and wavenumber spectral representation is obtained, which integrates the advantages of both the discrete and continuous methods of one-spatial dimensional stochastic field, allowing for reflecting the spatial characteristics of large-scale structures. Moreover, the dimension reduction model for two-spatial dimensional stochastic wind field is established via adopting random functions correlating the high-dimensional orthogonal random variables with merely 3 elementary random variables, such that this explicitly describes the probability information of stochastic wind field in probability density level. Finally, the numerical investigations of the two-spatial dimensional stochastic wind fields respectively acting on a long-span suspension bridge and a super high-rise building are implemented embedded in the FFT algorithm. The validity and engineering applicability of the proposed method are thus fully verified, providing a potentially effective approach for refined wind-resistance dynamic reliability analysis of large-scale complex engineering structures.     

台风作用下高耸结构动力响应及风振控制分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的结构更易产生强烈的动力响应。考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本。利用有限元软件ANSYS建立某高耸钢塔结构三维空间有限元模型,并在时域内对设置粘滞阻尼器的结构进行控制效果分析,得到最优粘滞阻尼系数。研究表明：编制的MATLAB程序可较好的模拟高耸结构的台风脉动风载时程,风速时程的功率谱与目标值吻合得较好;设置粘滞阻尼器后结构的位移和加速度响应均有明显的减小,粘滞阻尼器是一种性能很好的阻尼器。     

A generalized approach to the mechanics of three-dimensional nonlinear ocean waves

The paper suggests a generalized approach to the analysis of second-order three-dimensional random wave fields that can represent either ocean waves in an undisturbed field or standing ocean waves. A nonlinear stochastic family is introduced that has a linear stationary Gaussian random contribution and a second-order correction exact in a Stokes expansion. This family can describe the nonlinear mechanics of a random wave field. Subsequently, in the considered random ocean field, the nonlinear mechanics of wave groups can be investigated conditional to the occurrence of a very high wave. The free-surface displacement and velocity potential may be obtained, as well as the nonlinear wave velocity and acceleration, for both the stochastic family and the very high wave groups. The results are of interest for the analysis of nonlinear wave kinematics when extreme surface wave events occur and thus for Morison′s wave forces on slender structures.     

强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究

为了获取在强风作用下超高层建筑的风场特性,基于风压测试基本原理,本文设计出了新型风压传感器。针对一超高层建筑设计了风场实测的实施方案,获得了超高层建筑顶部的风速风向纪录,记录了墙面六个测点的风压时程。基于高空风速风压同步实测结果,分别对实测场地的风速风向特征及墙面风压特征进行了分析。结果表明,特殊地形条件下的风速脉动不完全符合典型的风速谱,而且其概率密度函数有可能不符合高斯分布;在这种情况下的墙面风压也呈现出不同程度的非高斯特征,尤其是在分离流区域;脉动风压的空间相关性与风洞试验研究的结果具有相同的规律。