藏式石砌体受压应力-应变全曲线特征研究

石砌体结构的力学性能研究已经取得一定的成果,但很少有研究考虑构造的随机性对石砌体结构性能产生的影响。该文基于代表性体积单元(RVE单元),针对几何构造具有一定随机性的石砌体,提出了一种有效模量计算方法,并与文献的试验和数值模拟结果对比,证明了所得有效模量的准确性。分别根据该方法和有限尺度测试窗法,对比分析了藏式古建石砌体的有效模量,并探讨了RVE单元尺寸大小对有效模量的影响。最后提出了一个基于所得有效模量建立砌体整体式模型的建模方法,并与传统分离式建模和基于有限尺度窗口法的整体式建模进行对比分析。研究结果表明：该方法与有限尺度测试窗法所得有效模量的数值大小和变化趋势相近,但该方法弥补了有限尺度测试窗法不能获得泊松比的缺陷;RVE单元尺寸的增大,使得其组元分布逐渐向完整结构的组元分布接近,导致大部分的Voigt、Reuss有效模量分量呈现先快后慢的收敛趋势;单元尺寸变化对厚度方向的轴向模量几乎没有影响,对其他面外的模量分量影响较小,对面内的模量分量影响较大;基于该方法所建整体式模型,可以在节约计算成本的同时,较为精确复制分离式模型的宏观变形。     

基于RVE单元的藏式古建石砌体均质化研究

在普通砖石砌体结构方面的均质化研究已经较为完善,而在构造、材料存在随机性的古建筑砌体结构方面的均质化研究相对欠缺。该文以有限尺度测试窗法为基础,提出了一种选择砌体结构代表性体积单元(RVE单元)的方法,并与试验和传统有限元模拟结果对比,验证了所提方法的可行性。在此基础上,该文进行了藏式古建石砌体结构RVE单元的选择,探讨了RVE单元的尺寸大小和所包含的组元分布对等效模量的影响,并基于所选RVE单元建立了藏式石砌体结构的均质化模型和整体式模型。结果表明:该选择方法适用于周期性和准周期性砌体结构,能选出与完整结构力学性能接近的RVE单元。随着RVE单元尺寸变大,其Voigt、Reuss等效模量会逐渐向完整结构的模量收敛,呈现先快后慢的变化趋势;组元分布的不同会改变等效模量的收敛程度,但在较大尺寸的RVE单元上,组元分布的影响将被体积造成的影响抵消。该文所建均质化模型能代替传统有限元模型进行局部结构的分析,并给出藏式古建石砌体结构的应力分布规律;所建整体模型能代替传统有限元模型,较为精确模拟结构整体的宏观变形。     

基于SiPESC平台的声子晶体能带结构分析算法研究及软件实现EI北大核心CSCD

为了快速准确得分析声子晶体的能带结构,该文基于工程与科学计算仿真平台SiPESC,开发了一类高效三维声子晶体能带结构分析软件。软件针对能带结构分析过程中计算量庞大的Hermitian矩阵的广义特征值求解问题和边界约束节点匹配问题,提出了相关软件设计方案。针对Hermitian矩阵的广义特征值求解,在实对称矩阵子空间迭代法的基础上,发展了Hermitian矩阵子空间迭代法。针对边界约束节点匹配问题,该文将三维周期性条件划分为点、边、面约束分别处理。针对面约束,该文使用定位格匹配策略将单层的点-点匹配更改为2层的点-定位格-点加速匹配。开展了与多物理场分析软件COMSOL进行数值算例对比。使用三维局域共振声子晶体算例验证了软件在满足数值精度的前提下计算效率高于对比软件。通过大规模模型算例验证了软件具有高效的大规模计算能力。     

复变量平均法与其他近似方法的异同EI北大核心CSCD

复变量平均法因其通用性和实用性受到学界的大量关注,但在求解系统响应时会产生一定误差。该研究旨在通过比较不同近似方法间的区别揭示各方法的精度差异和适用条件。应用复变量平均法、多尺度法和谐波平衡法获得单自由度自治和非自治系统的近似解析解,并以Duffing振子为算例进行数值验证。随后针对二自由度非线性能量阱系统,推导出系统稳态响应的半解析解,以振幅和均方根值为评价指标描述系统的响应情况。结果表明:对于单自由度系统,复变量平均法和多尺度法得到的衰减振动瞬态解相同,不同于谐波平衡法;三种方法获得的受迫振动稳态解相同。三者对于弱非线性自治系统和非自治系统响应的近似准确率较高。复变量平均法和谐波平衡法均能良好地描述二自由度耦合系统的稳态周期运动且精度较高。当出现拟周期运动时,以均方根值为指标,复变量平均法的解析效果更好;以振幅为指标,谐波平衡法的近似程度更高。     

基于SILPDA的旋转机械故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对故障特征集因“维数灾难”导致的故障分类困难现状,提出了一种基于强化内蕴局部保持判别分析(strengthened intrinsic local preserving discriminant analysis, SILPDA)的故障特征集降维算法。该算法将强化的多流形内蕴模型与局部相似度矩阵融入目标函数的构建中,期间充分考虑了数据集的多流形结构特征并且保留了样本的局部结构信息,使降维后的低维特征子集易于实施分类运算,继而实现提高故障辨识精度的效果。利用转子试验台振动信号集合构建的原始故障特征集对算法性能进行了验证。结果表明,该算法能够从原始故障数据集中提取出利于实施分类运算的敏感特征子集,这些特征子集将会使不同故障类别之间的边界变得更加清晰,最终相较于局部保持投影(locality preserving projections, LPP)、线性判别分析(linear discriminant analysis, LDA)、局部边缘判别投影(locality margin discriminant projection, LMDP)等算法可实现更好的故障辨识效果。对于提高旋转机械大数据资源的价值密度,该算法提供了一种优化数据结构模型的理论依据。     

基于双路并行多尺度ResNet的滚动轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对传统方法在滚动轴承故障诊断中无法自适应提取有效特征信息,且滚动轴承在强环境噪声干扰、复杂变工况等因素影响下诊断效果不佳,有抗噪性和泛化性下降的问题,提出了一种双路并行多尺度的改进残差神经网络(residual neural network, ResNet)的方法。该方法设计了多尺度的残差Inception模块,可以有效提取特征信息,同时加入注意力机制解决了数据的突变性和差异性,此外还使用多个空洞卷积的残差块扩大感受野,有助于提取更多特征信息,实现准确故障诊断。利用凯斯西储大学轴承数据集和东南大学变速箱数据集分别训练并测试了诊断效果,将该方法与其他卷积神经网络的方法在变噪声、变工况情况下作了对比,诊断准确率最高达到99.73%,平均准确率也在95%以上,均高于其他比较方法。结果表明,该方法在复杂多变的工况下具有较好的故障识别能力和泛化能力。     

基于有限测量信息的两步响应重构方法EI北大核心CSCD

提出了分两步进行结构响应重构的方法,可实现利用正常测量的响应对因传感器损坏而丢失或其余所需的响应进行重构。首先,建立各处正常工作的传感器的测量响应与需要重构响应的关系,计算出含噪声的各类响应;然后,使用粒子滤波算法降低测量过程中有色噪声对于重构精度的影响,并且在粒子滤波算法中引入萤火虫算法代替重采样过程,改善粒子贫化现象。经对一个二维桁架进行数值模拟,结果显示该方法与直接使用测量响应进行响应重构的方法相比有更高的精度。     

基于数据驱动的大体积结构裂缝深度反演EI北大核心CSCD

裂缝是混凝土结构的主要病害,查明裂缝的深度能够为结构的耐久性和安全性评价提供可靠的信息,但同时也是混凝土结构检测的难点之一。提出了一种基于数据驱动的学习算法,通过考察波经过带缝结构传播的信号预测裂缝深度,采用扩展有限元法(Extended finite element methods,XFEM)和边界吸收层模型模拟了带缝大体积混凝土结构中的波传播过程,将接收点的观测信号和裂缝信息配对。基于人工神经网络的机器学习模型建立了基于XFEM数据集的裂缝深度预测模型。对于含未知裂缝信息的混凝土结构,通过测得的观测点信号,利用建立的机器学习模型实现裂缝深度的实时预测。通过2个数值算例验证了该算法的性能,结果表明所提出的数据驱动算法能够准确预测裂缝深度。     

体自由度颤振飞行试验的边界预测方法研究EI北大核心CSCD

体自由度颤振频率低,参与颤振的模态频率在亚临界状态往往已经极为接近,加之基于大气紊流激励的颤振飞行试验数据信噪比通常较低,增加了体自由度颤振飞行试验模态辨识以及颤振预测的难度。对此提出了一种基于Matrix Pencil模态辨识方法的体自由度颤振预测方法。通过随机减量技术对输出响应信号进行系集平均,得到随机衰减标记;运用Matrix Pencil方法拟合随机衰减标记获取模态参数,并通过频率和阻尼稳定判据筛选真实模态,再通过阻尼比与颤振稳定性判据变量外插获取颤振点。通过对仿真数据与试验数据的应用,可得到以下结论:Matrix Pencil模态辨识方法能有效辨识密集的颤振模态,并获得清晰的模态辨识稳态图。基于阻尼比及稳定性判据变量外插获得的颤振预测结果较为合理,其中DTFM(Discrete-Time Flutter Margin)判据变量的下降趋势更明显,外插结果与试验值更接近。该方法适用于体自由度颤振飞行试验的亚临界预测。     

基于多体动力学的道岔导曲线线型优化研究EI北大核心CSCD

为提升道岔侧向通过性能,结合道岔结构特点,提出通过降低侧股内轨导曲线的方式达到在道岔设置超高的目的。以42号道岔为例,设计了加设超高的三次缓和曲线-三次缓和曲线组合线型和加设超高的七次缓和曲线-七次缓和曲线组合线型两种新线型,建立了车辆-道岔动力学耦合模型,经过动力学计算,对比不同工况下的脱轨系数和轮轨横向力,发现在导曲线设置超高和使用高次曲线是有效的,较现有线型能提高车辆侧向过岔的安全性和过岔速度。在设计速度下新线型的脱轨系数极值与现有线型相比降低幅度为14.4%~20.0%,轮轨横向力极值降低幅度为14.5%~26.4%。     

基于Cohesive单元的石拱桥主拱圈二相数值模拟方法

为解决石砌体材料非均质的描述问题,提出一种基于Cohesive单元的石拱桥主拱圈两相数值模拟方法。视石砌体为两相材料(砌块和砌缝),采用实体单元模拟砌块并引入非线性本构描述其破坏行为,在相邻砌块间插入Cohesive单元考虑砌缝砂浆的剪切和拉伸破坏。通过室内试验与数值模拟对比验证方法的有效性及适用性,分析了砌缝抗剪摩擦系数μ、加载位置等敏感参数对拱桥承载力的影响。结果表明：基于Cohesive单元的石砌体两相数值模型,可以有效描述石砌体材料的非均匀性及石拱桥的破坏过程(尤其是砌缝剪切滑移破坏行为),可为石拱桥极限承载力评估提供重要信息,如荷载-位移曲线、破坏模式等。此外,研究结果还发现主拱圈破坏机制由拱的受弯、受剪特性决定,并与砌缝抗剪摩擦系数μ强相关。     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成,材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模,可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态,但非线性分析计算量大,多用于局部构件的细部分析和模拟;整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体,建模过程简单、易行,适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式,结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法,该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式,采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式,进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分,并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分,可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式,引入Woodbury公式进行求解,该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新,非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解,显著提升了计算效率。     

基于多层次结构的结晶聚合物纳米复合材料有效性能--体积分数和等效模量的关系研究

原位聚合法制备的尼龙6/纳米S iO2复合材料具有很好的综合力学性能。加入相当低的纳米颗粒体积分数,可使纳米复合材料性能明显提高,但在其体积分数超过某一较小的临界值后,继续增加纳米颗粒体积分数,不再有增强效果。这一实验发现与以往的细观力学预测不一致,一直没有合理的解释。本文从材料的微观结构特点出发,揭示了上述现象的微观物理机制,将结晶聚合物纳米复合材料内部结构分别用宏观、细观和纳观三个层次来描述。利用数学上的渐近均匀化理论,结合有限元方法,经四次纳观层次的均匀化和一次细观层次的均匀化,预测了聚合物纳米复合材料的有效性能,揭示了聚合物纳米复合材料有效模量随纳米颗粒体积分数增加出现先增大后减小的变化规律。     

复合材料圆管构件等效模量的计算方法

针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量提出了高阶理论计算方法, 它考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本构关系, 并在相同壁厚条件下对三种缠绕方式( [0°/(±θ)_n ]S, [ (±θ)_n ]S 和[ 90°/(±θ)_n ]S) 的等效模量进行了预测, 并且与经典层合板理论的预测结果进行了比较, 该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。      

基于组合单元的混凝土结构徐变分析方法

对混凝土徐变的研究现状和数值计算方法做出评价,提出了混凝土结构徐变计算的空间有限元分析方法。以组合单元为基础,建立混凝土徐变的三维计算模型:将结构的变形、内力状态、结构形式及约束情况均沿时间轴进行划分,再根据结构在每个时间点上各参数的变化值,推导出了混凝土徐变计算的递推公式;又基于虚功原理建立混凝土徐变刚度矩阵,绕过应力与应变,直接通过位移增量计算自由徐变应变增量的等效荷载,提高了徐变数值计算精度;组合单元是对原有实体等参元的继承和拓展,能够分别考虑钢筋和混凝土各自对单元刚度矩阵的贡献,而两者又通过自由度变换的方法有机的结合在一起,构成一种可专门用于模拟钢筋混凝土结构的单元形式。实例分析结果表明:用组合单元做混凝土徐变分析,能够计入钢筋对徐变的阻碍作用,解决在钢筋和混凝土之间的应力重分布问题,更准确的计算出结构变形和内力变化。     

基于响应面法和Morgenstern-Price法土坡可靠度计算方法

基于响应面法,建立了一种高效的边坡可靠度指标和失效概率近似计算方法。该法在构造响应面函数时,抽样点计算采用Morgenstern-Price法取代传统费时的有限单元法,大大降低了计算工作量。利用Monte-Carlo随机抽样原理,提出了一种能同时确定边坡最危险非圆弧滑动面和最小可靠度指标的随机搜索新算法。该文给出的两个算例验证了方法的实用性和可靠性,其计算结果同时表明:当分别以最小可靠度指标和最小中值安全系数为目标函数时,搜索到的边坡最危险滑动面相差较大。最后,探讨了土性指标(c,φ)的分布概型及相关性对边坡可靠度计算结果的影响。     

基于组件法的超大承载力端板连接节点弯矩-转角曲线计算方法

超大承载力端板连接节点是一种可以应用于大跨或重载钢结构中的新型梁柱节点形式。为了在结构分析中准确考虑该节点的抗弯承载力和转动刚度,需要确定其弯矩-转角曲线。在已有试验和有限元分析结果的基础上提出了超大承载力端板连接节点的组件模型,引入一种新组件形式并提出了其承载力和刚度的分析方法,基于组件法提出了超大承载力端板连接节点的抗弯承载力和转动刚度的计算方法。综合现有典型的节点弯矩-转角曲线模型的优点,以节点抗弯承载力和转动刚度为基本参数提出了适用于超大承载力端板连接节点的弯矩-转角曲线模型。通过与已开展的试验研究和有限元分析结果进行比较,所提方法得到的节点抗弯承载力和转动刚度较为准确,所提弯矩-转角曲线模型与试验曲线吻合良好,可以应用于采用该节点形式结构的分析和设计中。     

δ-Al2O3f/Al基复合材料弹性模量的有限元能量法预测

Based on the energy equivalence principle, the elastic modulus of δ-Al₂O_3f/Al composite was predicted by means of the Finite Element Method. In the predicting, the random orientation distribution of short fiber was considered. The results were compared with the experimental values and those of previous predicting methods. In the end, it can be concluded that the method developed in this paper is reasonable and precise.     

基于Newmark法敏度计算的刚架结构动力优化

提出一种有效的求解结构最小质量设计,同时满足动位移和动应力约束的二阶优化设计方法。在有限元法和纽马克法基础上导出一种高效的动应力、动位移对设计变量一阶导数和二阶导数的算法。建立含时间参数,以结构质量最小化为目标,同时满足动位移、动应力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。利用动位移、动应力对设计变量一阶导数和二阶导数的信息计算内点罚函数的梯度和海森矩阵,利用梯度和海森矩阵构造求解优化设计问题高效有效的二阶优化算法。算例结果表明该文的优化设计方法能获得刚架结构的局部最优设计,优化的效率高于增广拉格朗日乘子法。