平稳随机激励下非黏滞阻尼系统功率谱密度函数的灵敏度分析EI北大核心CSCD

功率谱密度(power spectral density,PSD)函数的灵敏度分析是实现结构系统在随机激励下梯度优化算法的基础。区别于黏性阻尼模型假设阻尼力正比于瞬时速度,非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点的时间历程相关,因而能够更准确地描述黏弹性材料的耗能特性。针对卷积型非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解问题,利用虚拟激励法(pseudo-excitation method,PEM)将平稳随机激励下非黏滞阻尼系统的随机响应问题等效转化为确定性的简谐响应问题;利用直接微分法推导出PSD函数的灵敏度表达式;分别引入基于复模态的一阶、二阶近似法和基于实模态的迭代法构建PSD函数的灵敏度算法;通过数值算例比较三种方法的计算精度和效率。结果表明,迭代法更适合大规模非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解。     

粘性阻尼系统频响函数计算方法

基于复模态理论和幂级数展开原理,导出了一种求解粘性阻尼系统频响函数的模态加速方法。与常规的模态展开法相比,该方法可大大减少模态截断误差。根据外激励频率所处于的系统频段,该方法可对系统的中-高、低-高阶模态实施截断和加速。通过对一数值实例计算表明,上面提出的方法很有效,通常只需计入幂级数前少数几项即可使频响函数达到很高的精度。     

随机激励下结构振动声辐射的灵敏度分析和优化设计

基于有限元法、边界元法和虚拟激励法,对随机激励下结构振动声辐射灵敏度分析及优化设计问题进行研究.有限元法用于计算结构谐振响应,边界元法用于计算结构振动声辐射,虚拟激励法结合有限元和边界元计算随机激励下结构振动声辐射问题.提出随机激励下结构振动声辐射问题的优化模型及求解算法流程,重点推导了其灵敏度分析公式.数值算例验证了灵敏度分析的准确性及优化求解算法的有效性.     

城市轨道交通槽型梁结构噪声计算与分析

该文用模态叠加法对城市轨道交通槽型梁进行车-轨-桥耦合动力计算,借助SYSNOISE求出模态声传递向量MATVs,进而用MATVs和梁的模态坐标响应计算桥梁的结构噪声。噪声计算值与实测值在频率分布和幅值上有较高的一致性,证明振动与噪声数值模型的可靠性。槽型梁结构噪声的线性声压级峰值频率为40Hz~80Hz,数值计算表明:动力分析只需考虑轮轨竖向接触即可满足结构噪声计算要求;考虑200Hz以下的声源激励和100Hz以下的结构模态作为边界条件可达到较好的噪声计算精度;调节轨下胶垫的刚度能有效减小结构振动,降低结构噪声2dB~3dB;声压级和车速有强线性关系。     

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。     

非黏滞阻尼系统频响函数灵敏度分析的改进计算方法

频响函数灵敏度分析是实现频域梯度优化算法的基础。随着各类高阻尼复合材料的广泛应用,黏性阻尼模型假设已不能准确描述其耗能特性。卷积型非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点速度的时间历程相关,能够更准确地描述黏弹性材料的阻尼特性。利用复模态叠加法和直接微分法推导出不考虑高阶模态影响的频响函数灵敏度表达式;基于非黏滞阻尼系统矩阵与模态间的关系,提出适用于非黏滞阻尼系统频响函数灵敏度求解的一阶近似法和二阶近似法;通过数值算例验证了提出方法的有效性和准确性。结果表明,与传统方法相比,该改进的计算方法兼顾了计算精度和效率,为实现具有高阻尼性能复合材料结构的动力分析奠定了基础。     

计算特征向量灵敏度的Neumann级数展开法

在特征向量灵敏度模态法的基础上,提出,了计算特征向量灵敏度的Ｎｅｕｍａｎｎ级数展开法。该方法是胜矩阵组数的形式来等效未知模态对特征向量灵敏度的贡献,并证明它对低阶模态的特征向量灵敏度分析具有较高的计算效率。选用工程桁架结构作为算例说明本方法在计算特征向量灵敏度时,只需少数几阶模态,便能获得高精度的特征向量灵敏度。     

悬臂梁结构的应变模态积分法与灵敏度分析

应变模态振型决定了结构动应变分布规律。基于梁应变与曲率的正比关系,提出一种直接求解悬臂梁结构曲率模态的积分方法,适用于任意形式的刚度和质量函数。通过与数值和解析解比较模态频率与振型,验证了该方法的准确性。此外,该方法将连续体模态求解问题转化为有限自由度的广义特征值形式,进一步证明可以应用Nelson法求解该形式的特征灵敏度,获得了曲率模态振型对于结构设计参数的灵敏度显式表达。为了更加明显地表现动应变变化,提出了曲率梯度模态的概念,其参数灵敏度可由曲率模态灵敏度获得。算例结果表明,该方法可以有效地优化结构参数、避免动应变集中。该方法同样也适用于固支—固支和固支—简支这两种边界条件。     

点导纳法的模态密度测试试验

模态密度能反映结构系统振动能量的存储能力,是应用统计能量分析法研究中高频动响应问题的重要参数。模态密度的实验获取常采用激励点导纳法。基于点导纳法原理,分别采用脉冲锤击和正弦扫频两种激励形式,测试一矩形铝合金板的模态密度,考虑传感器的附加质量,对测试结果进行修正。结果表明,激励形式对矩形铝合金板的模态密度的测试精度有较大影响;传感器的附加质量在不同激励形式下,相同频段内,对识别结果影响的差异明显;经过附加质量修正后,正弦扫频激励测试结果与理论值吻合性较好。     

一种利用子结构综合技术的模型修正方法

提出了基于改进自由界面子结构模态综合法的结构模型修正方法。首先给出了一种改进的自由界面子结构模态综合法,该方法通过构造一组与系统低阶模态加权正交的向量集,有效地解决了含有刚体模态时系统剩余柔度矩阵的求解问题。然后利用摄动法对每个子结构进行摄动,并计算灵敏度,通过子结构综合技术得到由摄动量表示的综合系统方程和灵敏度方程,给出了基于灵敏度分析的修正计算方法。该方法仅需对综合方程进行修正,极大的减缩了待修正问题的计算规模,提高了修正效率。最后,以典型数值算例验证了该方法的有效性。     

改进的混合界面子结构模态综合法在失谐叶盘结构模态分析中的应用

在保证精度的条件下,为了提高航空发动机模态分析的计算效率,针对传统混合界面子结构模态综合法由于综合后还可能存在计算量大的问题,提出一种改进的混合界面子结构模态综合法。该方法将综合后的模型进一步减缩,同时在减缩过程中引入位移和力的双协调条件,保证了计算的准确性。采用该方法建立了叶片-轮盘的组合结构的参数化模型,对各个子结构建立有限元模型并综合求其模态,与整体结构有限元法相比,计算时间缩短了23.86%~35.74%,模态偏差不大于0.57%,而传统法,其计算时间缩短了14.63%~29.20%,模态偏差不超过0.49%,可见,在相同的工作环境且保证精度的条件下,该方法计算效率比传统混合界面子结构模态综合法有显著提高,尤其是在高阶模态求解时,计算效率提高的更加明显,为下一步的振动响应及组合结构的动态特性研究奠定了基础。     

Sizing design sensitivity analysis of non-linear structural systems. Part II: Numerical method

A numerical method is presented to carry out sizing design sensitivity calculations outside established finite element analysis codes, using postprocessing data only. Geometric as well as material non-linearities are treated. To demonstrate the accuracy of the proposed method, numerical results are presented for structural systems with linear elastic material, large displacements, large rotations and small strains. A distributed parameter approach to structural design sensitivity analysis is used to retain the continuum elasticity formulation throughout the derivation of design sensitivity results. Using this approach and an adjoint variable method, design sensitivity computations are carried out. For structural performance functionals stress and displacement are considered. It is shown that computations can be performed with the same computational effort as for sizing design sensitivity analysis of linear structural systems. Accurate design sensitivity results are obtained for both linear and non-linear structural systems without the uncertainty of numerical accuracy and high cost associated with the selection of finite difference perturbations. Also, the method does not require differentiation of element stiffness and mass matrices in conventional finite element models.     

Model order reduction based on successively local linearizations for flexible multibody dynamics

An efficient method of model order reduction is proposed for the dynamic computation of a flexible multibody system undergoing both large overall motions and large deformations. The system is initially modeled by using the nonlinear finite elements of absolute nodal coordinate formulation and then locally linearized at a series of quasi-static equilibrium configurations according to the given accuracy in dynamic computation. By using the Craig-Bampton method, the reduced model is established by projecting the incremental displacements of the locally linearized system onto a set of local modal bases at the quasi-static equilibrium configuration accordingly. Afterwards, the initial conditions for the dynamic computation for the reduced model via the generalized-α integrator can be determined from the modal bases. The analysis of computation complexity is also performed. Hence, the proposed method gives time-varying and dimension-varying modal bases to elaborate the efficient model reduction. Finally, three examples are presented to validate the accuracy and efficiency of the proposed method.     

压力管道腐蚀灾变检测的应变敏度比法

基于结构振动模态测试理论和有限元方法提出了压力管道腐蚀检测的应变敏度比法。首先,通过位移模态及应变模态建立了腐蚀管道的定位检测判据。其次,制备不同缺陷的管道,应用应变敏度比法检测判断缺陷位置,结果表明,检测位置与实际损伤位置完全一致。最后,通过数值算例证实用前1阶模态分量数据检测的结果与实际缺陷基本一致。通过实测和数值算例证明了只测试损伤及未损伤结构的低阶模态参量,便可进行有效的检测,而低阶参量是相对简单易测,从而使该方法应用于工程实际更显便利。     

基于多尺度模型的RC框架撞击倒塌响应数值分析

为了在保证计算精度的同时提高撞击荷载作用下RC框架结构连续倒塌分析的计算效率,本文基于有限元软件LS-DYNA,建立了撞击响应分析的多尺度模型。针对该模型分别采用拆除构件法和撞击全过程分析法分析了撞击荷载下框架结构的连续倒塌动力响应。结果表明：拆除构件法在分析撞击作用下结构的连续倒塌时,由于忽略了撞击力及其对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,不能合理反映撞击作用下框架结构的破坏模式;多尺度模型能够准确模拟撞击作用下框架结构的动力响应和破坏模式,同时计算时间仅为精细模型的三分之一,满足整体结构系统撞击倒塌分析的需要。     

Finite integration method for nonlocal elastic bar under static and dynamic loads

The finite integration method is proposed in this paper to approximate solutions of partial differential equations. The coefficient matrix of this finite integration method is derived and its superior accuracy and efficiency is demonstrated by making comparison with the classical finite difference method. For illustration, the finite integration method is applied to solve a nonlocal elastic straight bar under different loading conditions both for static and dynamic cases in which Laplace transform technique is adopted for the dynamic problems. Several illustrative examples indicate that high accurate numerical solutions are obtained with no extra computational efforts. The method is readily extendable to solve more complicated problems of nonlocal elasticity.     

An efficient integration technique for the voxel‐based finite cell method

The finite cell method is a fictitious domain approach based on hierarchical Ansatz spaces of higher order. The method avoids time‐consuming and often error‐prone mesh‐generation and favorably exploits Cartesian grids to embed structures of complex geometry in a simple‐shaped computational domain thus shifting parts of the computational effort from mesh generation to the computation within the embedding finite cells of regular shape. This paper presents an effective integration approach for voxel‐based models of linear elasticity that drastically reduces the computational effort on cell level. The applied strategy allows the pre‐computation of an essential part of the cell matrices and vectors of higher order, representing stiffness and load, respectively. Several benchmark problems show the potential of the proposed method in particular for heterogeneous material properties as common in biomedical applications based on computer tomography scans. The applied strategy ensures a fast computation for time‐critical simulations and even allows user‐interactive simulations for models of moderate size at a high level of accuracy. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于谱元法的裂Lamb纹梁波传播特性研究

首次提出用一种无质量弹簧元来模拟含横向裂纹梁的轴弯耦合效应,并结合谱元法分析含裂纹梁内Lamb波的传播特性.由卡氏定理和断裂力学方法推导弹簧元的刚度,以此构建裂纹处的平衡条件和位移协调条件,建立损伤谱元模型.通过和传统的有限元模型进行比较,表明在显著提高计算效率的同时,所提出模型在分析结构固有特性和Lamb波传播特性上都具有较高的精度.在所提出模型的基础上又推导出基于谱元法的能量计算公式,通过裂纹处的能量守恒再次验证损伤模型的正确性和有效性,同时研究结果表明裂纹处转化生成的Lamb 波各模态能量随裂纹深度的变化具有单调性,该结论可以为结构健康监测中定量识别裂纹提供实用依据.     

基于应变模态的连续梁动挠度识别

为了实现基于应变测量的连续梁动挠度识别,提出了一种基于应变模态的梁结构动挠度监测方法。利用应变传感器进行应变测试获得梁的动应变数据,由动应变数据的互相关函数求出应变模态振型,利用应变-位移转换关系求出位移模态振型,再由动应变数据和应变模态振型计算出位移模态坐标,最后根据计算出的位移模态坐标叠加位移模态振型得到梁结构的实时挠曲线,从而实现对动挠度的监测。为了验证方法的有效性,对连续梁在脉冲激励及地震作用下的动挠度进行了数值模拟,并进行了简支梁力锤锤击实验。数值模拟及实验的结果表明,基于应变模态监测梁结构动挠度是可行的,且具有较高的精度。     

粗网格划分下的箱梁三维实体有限元分析方法

针对现有箱梁分析方法普遍存在的计算精度与计算效率之间矛盾的问题,提出了粗网格划分下的箱梁三维实体有限元分析方法。在充分考虑箱梁受力变形特点的基础上,以修正的Hellinger-Reissner变分原理为基础,通过合理引入非协调位移插值项,构造出直角坐标系下的六面体八结点杂交应力单元8N21β和柱坐标系下的六面体八结点杂交应力单元8N21βc,分别用于粗网格划分下的直箱梁和曲线箱梁的三维实体有限元分析。数值算例表明:8N21β单元和8N21βc单元在粗网格划分下具有较高的计算精度,能有效提高箱梁三维实体有限元分析的计算效率。