设备-结构-土体系振动台实时子结构试验方法探讨

该文探讨了设备-结构-土体系振动台实时子结构试验方法的可行性,将设备-结构体系作为由振动台加载控制的试验子结构,同时将自由度缩减后的土体作为由仿真软件计算的数值子结构,试验时两者之间进行数据实时交互。首先基于分支模态子结构方法推导了设备-结构-线性土体系运动方程,并对各体系运动方程进行了变换,将其应用于设备-结构-线性土体系振动台实时子结构试验。然后结合土体在强震作用下并非全部进入非线性阶段的特点,提出采用局部非线性土模型作为数值子结构参与振动台实时子结构试验的思路,并应用分支模态子结构法与线性-非线性混合约束模态子结构法推导了设备-结构-局部非线性土体系的运动方程。设计了设备-结构-土相互作用缩尺模型,进行了各地震动作用下的设备-结构-线性土体系振动台实时子结构试验。通过比较振动台实时子结构试验结果与数值计算结果,发现两者之间吻合良好,证明该试验方法是可靠有效的。     

土-结构非线性相互作用混合约束模态实施方法

分析、探讨线性-非线性混合约束模态综合法用于土-结构相互作用的动力分析实施方法。据结构存在局部非线性特性,提出对整体结构划分为若干个线性、非线性子结构,对线性子结构只需一步提取特性矩阵并进行方程降阶,而对非线性子结构则逐步提取降阶后的等效特性矩阵。通过组装各子结构达到对整体结构特性矩阵的降阶处理。对非线性子结构凭借在小段时间 内利用分段等效线性化手段,通过ANSYS二次开发工具UPFs编辑写成可执行程序文件,并与MATLAB联立计算,实现特性矩阵提取。结果表明,该方法求得结构的各阶频率和动态响应时程曲线与ANSYS直接计算吻合良好。可逐步提取等效弹塑性特性矩阵,为采用变化的特性矩阵对结构进入塑性阶段深层次分析研究提供有效方法。     

考虑局部非线性影响的设备-结构相互作用研究

针对某些设备在地震时容易破坏的特点,进行考虑设备非线性因素影响的设备-结构动力相互作用体系分析。引入了能考虑局部非线性的混合动态子结构法,并将设备作为非线性二级子结构参与分析,导出了线性与非线性耦合的混合动态子结构方程。应用该方法进行了设备-结构动力相互作用体系三种不同计算模型的地震时程响应分析。研究表明:一般情况下,考虑非线性设备与线性结构相互作用后,结构反应有所减小,设备反应增大,具体结果不仅与结构自身特性有关而且与地震动类型密切相关。提出的该方法具有计算可靠、效率高的特点。     

混合空间复模态综合法在局部非线性问题中的应用

提出了一种针对含有局部非线性特性的一般黏性阻尼系统的混合空间复模态子结构模态综合法。首先根据局部非线性结构的特点,将其分为线性子结构与非线性子结构。然后,将线性子结构转换到状态空间中,通过解得的复模态对其进行模型减缩;在减缩过程中,构造了一组与系统低阶模态加权正交的假设高阶模态集使得在求解剩余柔度矩阵时避免了对系统矩阵直接求逆的过程。非线性子结构依然保留在物理空间中,通过子结构之间的界面协调关系将非线性子结构与减缩后的线性子结构进行综合。为了可以通过直接积分法对其进行动响应分析,将得到的二阶微分方程再次转换为一阶微分方程。最后,通过典型数值算例对本文方法的有效性进行了验证。     

子结构法在结构拟动力试验中的应用

本文从子结构的原理出发，推导了子结构法法用于动力分析的基本公式，对在地震作用过程中，已知结构的线性反应部分和非线性反应部分的情况，采用线性子结构与非线性子结构耦合的分析方法，这样不仅节省费用，并且概念明确，有助于将结构分析的重点放在非线性反应部分，在此基础上，借助于结构振动的主模态，提出了采用耦合法进行拟动力试验的方法，并通过一模型的拟动力试验就计算方法和模型结构的若干反应性能进行了探讨和研究。     

地下隧道内爆炸冲击下地表多层建筑的动力响应研究

该文对带有筏板基础和地下室的多层框架及框剪建筑物在遭受邻近地下隧道内爆炸冲击作用下的动力响应进行了分析研究。采用ABAQUS软件建立了考虑地基土和混凝土等材料非线性的隧道-土体-多层建筑耦合体系的三维数值模型,经与LS-DYNA模型结果的比较分析验证了该文所建体系模型的正确性和有效性。通过大量的算例分析,对隧道内爆炸冲...     

非线性土中单桩竖向动力特性分析

在Novak边界层模型基础上,将桩周土分为非线性粘弹性内域和线性粘弹性外域,采用随内域平均应变减小的剪切模量和增长的材料迟滞阻尼比近似考虑内域的非线性粘弹性,采用等效线性方法对端承桩与三维土层的竖向耦合振动进行了研究,得到了非线性土中单桩竖向动力阻抗函数。对动力特性进行算例分析,讨论了内域土非线性、桩长细比、桩-土刚度关系和密度比、材料阻尼、激振荷载幅值等因素对非线性土中单桩竖向动刚度和阻尼的影响,对进一步研究桩-土-结构动力相互作用机理具有理论价值和实践意义。     

土-结构相互作用下网架结构动力性能研究

采用整体有限元法分析土-结构动力相互作用(SSDI)下网架的动力性能。以大型有限元软件ABAQUS为平台,结合FORTRAN程序实现粘弹性动力人工边界精确施加、土体自重应力平衡及粘弹性边界条件下地震动输入,并通过算例验证有限元计算过程的有效性与合理性;建立地基土-支承体系-网架屋盖相互作用的三维整体模型,分析SSDI对网架结构动力性能影响。研究表明,SSDI使网架结构自振周期较刚性地基下延长且地基土越软周期越长,网架结构自振频率随地基土变软更密集;SSDI使基础底面峰值加速度较自由场地表峰值加速度增大5%~30%,且地基土越软增大幅度越大;SSDI效应可增大网架结构节点加速度及节点水平相对位移,且使网架结构节点水平相对位移随地基土的变软逐渐增大。     

双层柱面网壳结构在地下隧道内爆炸冲击下的动力响应分析

对双层柱面网壳结构在地下隧道内爆炸冲击作用下的动力响应进行了研究.借助ABAQUS有限元软件建立了考虑地基土、混凝土、钢材等材料非线性的隧道-土-网壳结构耦合体系的三维数值模型,并通过算例验证了所建体系模型的正确性和有效性.分别对单、双线隧道布局、网壳与爆炸隧道间距离的变化、爆炸点在隧道内沿其纵轴线移动等三组工况进行了...     

基于能量守恒积分的子结构试验方法

为了提高子结构试验技术对非线性结构的稳定性,把无条件稳定的能量守恒逐步积分方法实施于子结构试验中,提出基于该逐步积分方法的子结构试验方法(以下简称能量守恒子结构试验方法)。在试验方法中采用等效力控制方法求解隐式差分方程。在试验流程图中提出模块CR的计算方法,从而解决了能量守恒方法实施于子结构试验的关键问题。然后对单自由度线性结构和非线性结构的能量守恒子结构试验进行数值仿真,结果表明提出的试验方法是可行的。最后实现了线性弹簧试件、非线性防屈曲支撑试件的能量守恒子结构拟动力试验,试验结果进一步证明了该试验方法对线性结构和非线性结构都是可行的。     

双腔结构消声器声学性能计算子域耦合方法

提出基于子域划分的耦合方法求解双腔结构消声器声学性能。据结构特点或材料属性将消声器分为不同子域,用数值模态匹配法或三维解析方法求解规则等截面子域结构传递矩阵,用三维数值方法求解非规则渐变截面子域结构传递矩阵,用子域连续条件求得消声器整体矩阵,进而获得消声器传递损失。分别用基于子域划分的耦合方法、三维有限元方法及数值模态匹配法计算典型双腔结构消声器的传递损失。结果表明,基于子域划分的耦合方法适用预测双腔结构消声器声学特性,与数值模态匹配法相比计算效率较高。     

Integrated structure and control design of actively controlled structures using substructure decomposition

This paper presents a substructuring based approach to the combined structure and control system design problem for flexible space structures. The proposed approach involves decomposing the structure to be controlled into a number of substructures. The substructure information obtained through finite element analysis is synthesized to reconstruct a reduced order model for the entire structure. Two approaches for controller design based on linear quadratic regulator (LQR) theory are proposed. The first approach involves designing a controller for the entire structure obtained by assembling individual substructures. For the second approach, the global controller is obtained by assembling all subcontrollers designed at the substructure level. The integrated control/structure design problem is solved iteratively until a minimum weight design is achieved. A numerical example which compares the results obtained from both the methods with those obtained by directly synthesizing a global controller for the entire structure is presented. The results indicate that both methods proposed herein provide good agreement with the results obtained by analyzing the structure in its entirety.     

Iterative mesh partitioning optimization for parallel nonlinear dynamic finite element analysis with direct substructuring

 This work presents a novel iterative approach for mesh partitioning optimization to promote the efficiency of parallel nonlinear dynamic finite element analysis with the direct substructure method, which involves static condensation of substructures' internal degrees of freedom. The proposed approach includes four major phases – initial partitioning, substructure workload prediction, element weights tuning, and partitioning results adjustment. The final three phases are performed iteratively until the workloads among the substructures are balanced reasonably. A substructure workload predictor that considers the sparsity and ordering of the substructure matrix is used in the proposed approach. Several numerical experiments conducted herein reveal that the proposed iterative mesh partitioning optimization often results in a superior workload balance among substructures and reduces the total elapsed time of the corresponding parallel nonlinear dynamic finite element analysis. Received 22 August 2001 / Accepted 20 January 2002     

基于UKF模型更新的混合试验方法

在混合试验中,将结构划分为物理子结构和数值子结构两部分。对遭遇强震下大型结构的混合试验,很难保证数值子结构仍处于弹性阶段。为确保数值子结构模型的准确性,提出基于Unscented Kalman filter (UKF) 模型更新混合试验方法。该方法假定数值子结构与物理子结构恢复力模型相同,在混合试验进行中利用物理子结构试验观测数据,采用UKF方法在线识别物理子结构模型参数,实时更新数值子结构模型参数。通过数值模拟,应用UKF方法对单自由度结构非线性模型进行在线参数识别,验证UKF方法性能;通过对弹簧试件实际试验,验证该混合试验方法的有效性。结果表明,基于UKF模型更新混合试验方法较传统混合试验方法精度更高。     

Efficient parallel algorithms for elastic–plastic finite element analysis

This paper presents our new development of parallel finite element algorithms for elastic–plastic problems. The proposed method is based on dividing the original structure under consideration into a number of substructures which are treated as isolated finite element models via the interface conditions. Throughout the analysis, each processor stores only the information relevant to its substructure and generates the local stiffness matrix. A parallel substructure oriented preconditioned conjugate gradient method, which is combined with MR smoothing and diagonal storage scheme are employed to solve linear systems of equations. After having obtained the displacements of the problem under consideration, a substepping scheme is used to integrate elastic–plastic stress–strain relations. The procedure outlined controls the error of the computed stress by choosing each substep size automatically according to a prescribed tolerance. The combination of these algorithms shows a good speedup when increasing the number of processors and the effective solution of 3D elastic–plastic problems whose size is much too large for a single workstation becomes possible.     

改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法

充分利用结构在地震作用下的局部非线性特征,数值子结构方法将原本复杂的结构非线性分析转化为以初始弹性刚度迭代的主结构等效线弹性分析和屈服构件隔离子结构非线性分析。由于主结构采用常刚度迭代分析收敛速度较慢,尚有一定局限性,于是该文提出一种改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法。在主结构系统中,将塑性自由度位移场作为基本未知量,设计牛顿算法进行非线性迭代分析,并由隔离子结构跨平台非线性分析计算得到屈服单元的内力和切线刚度。对一平面15层3跨钢结构进行地震弹塑性时程分析,模拟结果表明：该文提出的方法是准确、可靠的,接近传统牛顿算法的二次收敛,且对于局部非线性结构系统,需要集成和分解的矩阵规模远小于传统方法。     

基于固定界面子结构模态的频响函数精确综合法

提出基于固定界面子结构模态的双协调结构频响函数精确综合方法。首先用固定界面子结构的中高阶模态与精确剩余约束模态表达子结构频域位移;再利用界面力与位移的协调关系进一步消去界面自由度,建立双协调的精确缩聚变换;然后根据里兹法,得到结构精确综合的频域运动方程与频响函数;最后通过数值结果验证该方法的综合能力与准确性。     

Reduction of substructural interface degrees of freedom in flexibility‐based component mode synthesis

A flexibility‐based component mode synthesis (CMS) is proposed for reduced‐order modelling of dynamic behaviour of large structures. The approach employs partitioning via the localized Lagrange multiplier method. The use of the localized Lagrange multipliers leads to, unlike the classical Lagrange multipliers, a linearly independent set of interface forces without any redundancies at multiply connected interface nodes. The flexibility‐based CMS method has shown significant advantages over the classical Craig–Bampton method. A key feature of the method is its substructural mode selection criterion that is independent of loading conditions. Unlike the majority of available CMS approaches, where one retains the full dimension of partition boundary degrees of freedom (DOFs), the flexibility‐based method allows to reduce significantly the interface DOFs. The reduction of interface DOFs represents the major contribution of the present communication. The efficiency of the proposed approach is demonstrated on an analysis of a simple plate partitioned and of a more complex 3D structure, both partitioned into several substructures. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Geometric non-linear substructuring for dynamics of flexible mechanical systems

A substructure synthesis formulation is presented that permits use of established flexible multibody dynamic analysis computer codes to account for structural geometric non-linear effects. Large relative displacement is permitted between points within bodies that undergo small strain elastic deformation. Components are divided into substructures, on each of which the theory of linear elasticity relative to a body reference frame is adequate to describe deformation and its coupling with system motion. Normal vibration and static correction deformation modes are used to account for elastic deformation within each substructure. Compatibility conditions are derived and imposed as constraint equations at boundary points between substructures. System equations of motion that include geometric non-linear effects of large rotation, in terms of generalized co-ordinates of a reference frame for each substructure and a set of deformation modes that are defined within the substructure, are assembled. The method is implemented in an industry standard flexible multibody dynamics code, with minimal modification. Use of the formulation is illustrated on the classical problem of a spinning beam with geometric stiffening and on a space structure that experiences large deformation.     

一种转角动柔度间接测量技术及在实验模态综合法中应用

将谐波集中力矩等效为谐波集中力系,用转角数值微分公式构造一种全新的转角动柔度间接测量技术,克服实验模态综合法中转角难测量与集中力矩难加载的困难。该间接测量技术无需附加任何质量块与施加集中力矩及集中力系,只需几次锤击实验或扫频实验,即可将集中力矩作用下的转角动柔度用集中力作用下的平动动柔度线性表示。将转角动柔度的间接测量技术应用于基于定频剩余动柔度的实验模态综合法中,数值实验表明,该转角动柔度间接测量技术切实可行,能有效解决实验模态综合法中界面自由度不匹配问题,可提高实验模态综合法精度及可靠性。