基于逆响应面法的有限元模型修正

基于响应面法（RSM）的有限元模型修正是以若干设计参数（如密度、弹性模量等）为自变量,以若干特征参数（如固有频率、振型等）为因变量,通过回归分析方法来拟合特征参数关于修正参数的显式表达式。提出的逆响应面法（IRSM）则是以特征参数作为自变量,设计参数作为因变量。利用此法的有限元模型修正可直接根据特征参数的目标值得到设计参数的修正量,而不需要经过迭代计算,有效地提高计算速度和精度。介绍逆响应面法及其应用,讨论使用响应面法和逆响应面法进行有限元模型修正的优缺点和适用范围,分析适合于逆响应面法的逆响应面函数、实验设计方案和回归精度检验的方法。利用逆响应面法对一简支梁进行有限元模型修正的结果表明,逆响应面法能高效准确地修正设计参数,对于输出变量少于输入变量的情况更能显著减少有限元计算次数,适用于复杂的工程结构。     

响应面建模方法的比较分析

工程应用中选用拟合精度和拟合效率较高的响应面建模方法是其应用的关键。首先描述主要响应面建模方法的逼近函数形式、参数估计方法及其基本特性;然后引入4个有代表性的函数,并分别利用上述响应面建模方法对这4个函数进行响应面拟合;最后从拟合精度和拟合效率两方面比较分析上述响应面建模方法。结果表明,基于径向基函数的响应面建模方法最适于实际问题的响应面建模。     

响应面在磁悬浮轴承转子模型修正中的应用

精确的磁悬浮轴承转子有限元模型对转子动态特性的研究及控制器的设计有着重要的作用。对于磁悬浮轴承转子的硅钢片圈、传感器基准环和光轴的过盈配合,有限元模型采用简化处理,使得转子弯曲刚度产生误差。为了获得精确的磁悬浮轴承转子有限元模型,需要利用响应面代理模型对有限元模型进行修正。以一个磁悬浮轴承转子为例,以模态频率和振型相关系数(MAC)为目标建立响应面,对转子的有限元模型进行修正。建立的响应面精度很高,修正后的有限元模型分析的模态频率、振型向量和试验值基本一致。结果表明,应用基于响应面的磁悬浮轴承转子模型修正方法修正过的有限元模型更加精确。     

采用响应面法的复合板结构噪声优化设计

针对复合材料层合板结构出现的噪声问题,将响应面法RSM(Response Surface Method)与遗传优化算法相结合,提出一种降低复合材料层合板声压级的优化方法。该方法基于四边形复合材料层合板结构建立有限元分析模型,通过三因子试验设计点设计试验计划表,结合最小二乘法构建复合材料层合板声压级的2阶响应面近似模型。以影响层合板噪声的显著因子为设计变量,层合板的声压级为设计目标,采用遗传算法对响应面近似模型进行优化,结果表明,使用该方法对复合材料层合板的噪声特性进行分析,可明显提高优化效率并为工程实际提供参考。     

基于响应面与灵敏度分析的区间不确定性参数识别方法

针对工程结构中普遍存在的不确定性,需开展考虑不确定性的有限元建模与模型参数识别。提出了具有区间不确定性参数识别的分步实施方法:①通过Box-Behnken矩阵设计方法进行响应面的样本点设计,并代入有限元模型计算获得结构的关心固有频率;基于二次多项式建立固有频率与待识别参数间的响应面模型;基于优化方法与自适应响应面思想对区间参数中值进行识别;②基于响应面模型并结合灵敏度分析,实现迭代区间参数半径的识别。通过某个质量—弹簧系统的数值算例和一组镜架系统工程实例的区间不确定性参数识别,验证了所提出方法的可行性和可靠性;参数识别结果表明所提出的方法具有较高的计算效率且可有效地避免区间优化导致的收敛问题。     

非线性隐式极限状态方程失效概率计算的组合响应面法

提出组合响应面的新方法,用以计算设计点附近非线性程度较大的隐式极限状态方程的失效概率。该方法用主响应面和多个次响应面近似对失效概率贡献较大的区域,其响应面函数形式为不含交叉的二次多项式。主响应面依据传统响应面法通过选择适当的插值点和迭代运算获得,其设计点为主设计点。延坐标轴正负方向偏移主设计点得到拟均值点。以拟均值点为基础得到一组次响应面和次设计点。通过主次响应面在各自设计点处的切平面建立组合响应面近似原隐式极限状态方程,并计算其失效概率。算例结果说明所提方法具有较高精度。     

Kriging响应面代理模型在有限元模型确认中的应用

结合Kriging理论,实现Kriging响应面代理模型在有限元模型确认过程中响应预测的应用。讨论模型验证与确认的基本思想,初步提出有限元模型确认流程;以Garteur benchmark飞机结构瞬态响应仿真为例,建立加速度响应最大值Kriging响应面,通过蒙特卡洛方法,实现有限元模型参数不确定性正向传递;采用核密度估计建立加速度响应最大值概率分布,计算响应量置信区间上下限。结果表明,Kriging响应面能准确对有限元模型响应进行预测,可为有限元模型确认过程提供很大便利。     

基于切平面布点的一种改进响应面方法

基于合理选择试验点的位置,该文提出一种改进响应面方法。该方法首先在经过设计点的切平面上布置试验点,然后沿切平面法向量方向移动试验点,并利用设计点和先前试验点的信息布置加强试验点。所布置的试验点既对设计点附近区域给予足够重视,同时又考虑极限状态函数在设计点附近区域的变化趋势,进而提高响应面函数在设计点附近区域的拟合精度。在响应面函数的拟合过程中,该文方法能够保证响应面函数在设计点处是无误差的,进一步提高失效概率的评估精度。算例表明,对于显式和隐式极限状态函数,该方法均具有较好的效率和精度。     

塔式起重机结构有限元模型修正的响应面方法

为提高塔式起重机(塔机)的修正效率,提出了一种基于响应面的有限元模型修正方法。在合理的修正参数选取和试验设计基础上,拟合得到结构响应与修正参数之间的显式函数关系以替代传统的有限元模型,通过迭代优化实现机械结构的有限元模型修正。以悬臂梁及塔机为例,实现了基于响应面法的有限元模型修正,并对比了不同响应面模型的拟合精度和修正效果。分析结果表明,利用响应面模型替代复杂的塔机有限元模型进行结构有限元模型修正可以极大地提高计算效率和修正精度。同时,对于塔机结构,基于二次多项式响应面的模型修正相较于基于高斯径向基函数响应面的模型修正能获得更好的修正结果和修正效率。     

基于响应面法的结构动力学模型修正

为了获得精确的结构动力学模型,提出了响应面和优化相结合的方法。利用参数化模型和优化拉丁方试验设计获取样本点构造多项式响应面模型,最小二乘法确定多项式系数并检验响应面的拟合精度。用响应面计算结果与实验结果的误差构造目标函数,自适应模拟退火算法来优化修正响应面参数,将修正后的参数值带入有限元模型得到修正模型。以欧洲航空科技组织的基准模型GARTEUR飞机模型为算例,对比修正前后模态频率,结果表明修正后的模型在测试频段和预测频段具有良好的复现和预测能力,进而验证了基于响应面法与优化方法相结合的结构动力学有限元模型修正的有效性。     

大跨度平屋面的风振响应及风振系数

本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法,并采用Davenport谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。计算表明:① 大跨度平屋面的竖向风振响应主要是由第一振型所支配,高阶振型对屋面板竖向风振响应的影响很小;② 屋面刚度及来流风速对大跨度平屋面的竖向风振响应影响比较大,但对位移风振系数的影响不太明显;③ 在工程设计中,建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。     

基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。     

大型门式起重机风荷载响应仿真分析

风荷载是起重机设计及运行时的重要荷载,近年来门式起重机呈现"大型化""柔性化"的发展趋势。大型门式起重机受其结构特性影响,对风荷载极其敏感,现行《起重机设计规范》仅通过风力系数及挡风折减系数对起重机迎风面的静风荷载进行界定,因而无法获得起重机各表面的风荷载分布情况。为解决这一问题,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对大型门式起重机的风场绕流特性进行仿真分析,并运用单向流固耦合方法将风荷载数据引入起重机计算结构力学模型并进行有限元分析,从而获得自然风场中大型门式起重机的风荷载响应,并将它与根据《起重机设计规范》计算得到的结果进行对比。结果表明:利用计算流体力学仿真分析得到的起重机整机风荷载与根据《起重机设计规范》计算得到的结果相近,但基于流固耦合方法所得的起重机结构应力大22.77%,结构应变大17.23%,这是因为自然风场中起重机各表面均受风荷载影响,而《起重机设计规范》仅对迎风面风荷载进行量化,忽略了流体在非迎风面产生的负压以及黏性力作用;门式起重机的主梁及支腿为串列结构,上游结构对下游结构有屏蔽效应,使得下游结构表面为负压,且屏蔽效应随着上下游结构间隔比的增大而减弱。研究结果可为起重机的设计校核提供参考。     

基于SCADA数据和改进BP神经网络的塔筒应力预测

针对风电机组载荷监测中应变片寿命短的缺陷,基于风电场海量状态监测数据,利用遗传算法和粒子群算法对BP神经网络进行改进,建立塔筒应力预测模型,并通过综合相关系数实现输入参量的有效选择.仿真结果表明,改进后的GA-BP神经网络预测模型和PSO-BP神经网络模型,预测结果的最大、最小相对误差等指标均比BP神经网络预测模型好;...     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

考虑叶片停机位置大型风力机塔架风-沙致结构响应分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能,尤其在沙尘暴极端天气条件下,沙粒的附着也会影响风的湍流特征并对塔架产生附加冲击力,现有工作均缺乏风-沙耦合作用对大型风力机体系气动性能及结构响应的探索.以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机体系为对象,以风-沙双向耦合算法为核心,基于CFD技术分别采...     

基于动张力均方根反应谱的大跨越输电线路设计风荷载

作为一种典型的风致敏感结构,大跨越输电线路在强风作用下产生的随机振动张力,往往是线路结构设计中的控制荷载。本文基于导线的连续悬索动力方程和变形几何条件,建立了风振动态张力的广义自由度计算理论模型。依据随机振动理论,获得了动张力响应的功率谱。引入常用的工程设计参数为变量,推导了动张力的均方根反应谱表达式。将其整理和简化,给出了实用设计风荷载的计算公式。以某大跨越输电线路为背景,比较了公式与我国规范、国际电气协会规范取值。结果表明建议公式考虑因素全面,力学意义清晰,结果更为安全合理,可作为规范修订的参考。     

建筑物风荷载测量技术与动态响应的研究

风荷载是建筑物的主要侧向控制荷载,测量风荷载及预测建筑物风响应是工程需要。利用高频天平能够测量建筑物静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应,这是一种有待广泛推广的新技术。作为技术研究,在1.4m×1.4m风洞中利用一台五分量高频天平获得了两个模型在不同流动状态大气边界层中的广义力谱,计算了相应高层建筑的动态响应,并与国际ESDU风工程计算作了比较,对试验结果的可靠性进行了分析。     

强风下高压输电塔线系统非线性随机动力响应

根据有限元分析得到单塔的非线性刚度软化特征,结合平均风下导线的动力特性,依据Lagrange方程建立了简化的输电塔线耦联系统的MDOF模型,将其应用于统计线性化方法,计算了系统在强风荷载下的非线性随机动力响应频域近似解。与数值模拟计算结果的比较显示,该方法的计算结果不仅具备一定的精度,还可以对系统动力失稳的临界风荷载作出判断。     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。