复杂边界条件下半球壳受迫振动响应分析

基于半解析法求解得到中厚半球壳的稳态振动与瞬态振动响应。基于一阶剪切变形理论推导球壳结构能量表达式,引入Jacobi多项式和傅里叶级数表示半球壳结构的轴向和径向位移,利用Ritz法得到半球壳的稳态振动响应,与有限元法结果对比验证了本文方法的有可行性。在此基础上,对半球壳在不同边界条件、截顶角和壳体厚度下稳态振动与瞬态振动特性规律进行了分析总结。

功能梯度石墨烯增强自旋圆柱壳的振动特性

目的为了研究旋转状态下功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GPLRC)圆柱壳的振动特性,方法基于改进的Halpin-Tsai微观力学模型与复合材料夹杂理论预测多种分布模式下石墨烯增强结构的等效材料属性。同时,考虑由旋转引起的科氏力与离心力作用,采用一阶剪切变形理论对FG-GPLRC自旋圆柱壳的能量表达式进行推导。之后,选取切比雪夫多项式构造位移容许函数,基于Rayleigh-Ritz法对FG-GPLRC自旋圆柱壳的行波振动特性进行分析,得到壳体的动力学微分方程进而求解出行波振动频率。最后,通过与现有文献数据进行对比,验证本文方法的准确性,并分析分层数、转速、石墨烯片的质量分数与分布模式等因素对旋转壳体振动特性的影响。结果石墨烯片分层数为10层时,即可实现对FG-GPLRC自旋圆柱壳振动特性的预测;石墨烯质量分数小于2%时,每增加0.5%,壳体的前后行波频率明显提高;在不同模态下,GPL-X分布模式的壳体行波频率最高,GPL-O分布模式最低,且行波频率随转速的提高而增大;弹性边界条件下,壳体行波振动频率随轴向半波数的增大而增加。结论石墨烯片在GPL-X分布模式下使得FG-GPLRC自旋圆柱壳的等效弹性模量增大,对壳体结构刚度的增强效果最佳,且前后行波频率与壳体转速同步增大。

修正-联合正则化的冲击载荷识别与响应重构

针对传统结构响应重构中正则化方法对冲击载荷峰值识别精度低、非加载区识别结果振荡且识别精度易受噪声干扰等问题,提出基于修正-联合正则化的冲击载荷识别与结构响应重构方法.基于状态空间模型,推导冲击载荷及结构响应的重构方程.对测量响应降噪,利用降噪后响应与识别响应的差值修正L2正则化解.联合L1正则化解的稀疏性优势,在保证冲击载荷非加载区域识别稳定的同时,获得更高精度的峰值识别结果,实现结构动态响应的重构.通过数值和实验案例验证了所提方法的有效性,对比了传递矩阵法和粒子滤波法的响应重构效果.结果表明,所提方法具有良好的抗噪性,能够较准确地识别冲击载荷,有效地重构结构动态响应.

小车运行状态下岸桥结构动力响应分析

本文对在役岸桥整机金属结构的动力学响应机理进行分析。基于Euler-Bernoulli梁理论建立起重机单梁结构数值模型,分析不同工况对梁结构动力响应的影响,并分析动力学方程中“离心加速度项”对岸桥的动力学响应的影响。利用一岸桥结构数据建立包含结构重要分析部位如铰点、轨道梁等结构的几何特征的整机精细化数值模型。以简化质量点模拟小车,将质量与板壳单元接触,实现小车与大梁的相互作用,并应用于岸桥结构动力学分析中,考虑轨道梁非中心受力,计算得到大梁铰点的加速度响应,与实测信号结果基本一致。经计算分析发现,岸桥大梁铰点处测点的加速度实测信号频谱和计算信号频谱均表明小车运行对岸桥结构的主要影响为经过轨道接头时产生的高频冲击。同时,岸桥模型大梁上10个测点及小车的位移结果表明,当小车带额定载荷以额定速度匀速运行时,岸桥前大梁前端产生垂向拟静态位移,位移频谱表明小车主要受到垂向强迫振动。

结构动载荷识别研究进展

作用于工程结构上的动载荷由于环境等限制难以通过直接测量的方式获取,基于动响应信息间接识别或重构动载荷已成为一种十分有效的途径。动载荷识别经过数十年的发展,已经形成了一系列行之有效的方法。本文总结了动载荷识别方法的研究历程及主要成果,系统性阐述了典型时、频域方法以及基于函数拟合思想、正则化策略、贝叶斯框架、数据驱动等动载荷识别方法,并讨论了各方法的优缺点以及适用范围。此外,还针对载荷识别过程中普遍存在的结构参数不确定问题以及输入条件不确定问题进行了总结。动载荷位置识别也是动载荷识别问题的重要组成部分,本文对现有位置识别方法进行了归纳分析。探讨了动载荷识别方法的工程应用,并分析了现有方法的局限性。结合当前实际工程应用中日益迫切的需求及动载荷识别领域面临的问题,展望了未来动载荷识别亟需攻克的技术难题以及可能的发展方向和重点领域。

复合材料双层球壳与环板耦合结构振动特性研究

以一阶剪切变形理论为基础,采用谱几何法对不同边界条件下复合材料双层球壳与环板耦合结构振动特性分析模型进行构建,其中采用人工虚拟弹簧技术模拟耦合结构的边界条件。根据耦合处的连接关系,通过布置耦合弹簧模拟器对子结构之间的耦合关系进行模拟。应用哈密顿原理对复合材料双层球壳与环板耦合结构的特征方程进行推导,对耦合结构的固有特性和稳态响应进行求解。将所得结果与有限元结果进行对比,验证了计算的正确性。分析了几何参数、材料参数对复合材料双层球壳与环板耦合结构振动响应的影响。

基于等效刚度阻尼系统的中低速磁浮列车与大跨度桥梁耦合振动响应分析

针对中低速磁浮列车与大跨度连续梁桥的耦合动力响应问题,本文基于等效刚度阻尼系统建立多编组磁浮列车模型;基于国内在建磁浮专线连续梁桥(35m+55m+35m),采用ANSYS中实体单元建立全桥模型.并将两个独立系统在SIMPACK进行车桥耦合,设定车重参数分别为空载、定员和超载,且列车按单线和双线工况运行,计算耦合系统的动力响应.结果表明,本文建立的列车模型受到轨道激励时,磁浮间隙在额定范围内浮动,即等效刚度阻尼系统有良好的控制效果;车辆磁浮间隙的变化量、车体竖向加速度与车重成反比,而磁浮力与车重成正比;在计算工况下,桥梁主跨及边跨的竖向位移均满足设计要求的限值,双线列车超载运行桥梁跨中最大位移仅为4.503mm.说明连续梁桥具有较大的刚度,能满足磁浮车辆安全运行的要求;对比列车单双线运行,主跨跨中的竖向位移最大值后者达到前者两倍,而边跨位移的最大值后者仅比前者增大70%,表明双线列车对开运行对桥梁的动力响应存在增大效应.相关研究成果对磁浮线路建设有一定参考意义.

带分段限位刚度的双向限位单层隔振系统冲击动力学理论模型研究

[目的]针对在冲击激励作用下带限位器的隔振系统刚度呈非线性变化的问题,开展冲击动力学理论模型及其抗冲击性能研究。[方法]首先,利用分段线性等效思想,建立带分段线性刚度限位器的双向限位单层隔振系统冲击动力学理论模型;然后,利用解析法对理论模型进行解析求解,并与不同冲击工况下的有限元法冲击响应进行对比验证。[结果]在不同的冲击工况下,动力学理论模型的解析解与有限元数值解具有高度的一致性。[结论]通过对比分析,验证了带分段限位刚度的双向限位单层隔振系统冲击动力学理论模型及求解方法的准确性,可为带限位器隔振系统的工作原理与性能特点研究提供理论依据。

计及表面残余应力的旋转凸凹型纳米圆板失稳分析

根据纳米材料表面残余应力和弹性板小挠度理论,建立旋转凸凹型纳米圆板横向振动微分方程,采用微分求积法得到不同条件下凸凹型纳米圆板的无量纲复频率随无量纲角速度和无量纲表面残余应力参数变化情况。研究结果显示:在周边固支和简支条件下,旋转凸凹型纳米圆板均发生第1阶发散失稳现象。在其他条件一定的情况下,周边固支凹型纳米圆板的临界失稳角速度小于凸型纳米圆板,周边简支凹型纳米圆板的临界失稳角速度大于凸型纳米圆板。临界失稳角速度随着表面残余应力的增加而增大,临界表面残余应力随着无量纲角速度的增加而增大。

幂函数形式连续变截面梁振动的弯曲固有频率分析

为给变截面变幅杆弯曲振动提供设计依据,该文使用微分方程解析法求解变截面梁固有频率。首先,建立变截面梁模型,其中截面面积和惯性矩均按幂次函数变化。得到变截面梁自由振动时挠度的解析表达式,并获得不同边界条件下梁弯曲振动的固有频率方程。其中惯性矩所对应幂指数与截面面积的幂指数的差值为4时,可得自振频率方程的精确形式;而幂指数差值不等于4时,给出近似解法。其次,对4种具体的变截面梁求解不同边界下的自振频率,并与瑞利-里兹法所得的自振频率解比较。验证精确解法结果的正确性,并发现近似解法结果的相对偏差在5%以内。该解析方法较瑞利-里兹法具有能快速求解的特点,且易于分析截面参数对梁固有频率的影响。由算例可得,边界和其他参数不变时,梁的同阶次无量纲自振频率随着幂次指数的增加而增加。几何参数中仅截面形状参数改变时,随着形状参数的增加,梁的同阶次无量纲自振频率随之减小,但固定-自由梁的第1阶自振频率除外。

数据驱动的时延神经网络动载荷识别方法

载荷识别是指根据测量的结构响应重构结构载荷的问题,属于力学中的反问题。本文提出了一种基于时延神经网络的载荷识别方法,通过实验和仿真相结合的数值算例验证表明,这一方法相比于一般的反向传播神经网络具有更高的识别精度;在时延神经网络的基础上,引入了统计池化的思想,并与普通的神经网络载荷识别方法相比较,证明了该方法在不同强度的噪声环境下均具有良好的识别效果;基于上述载荷识别方法,提出了一种基于粒子群优化算法的传感器布局优化策略,相比于随机的传感器布局,优化后的传感器布局可以在考虑传感器安装间距的同时,将载荷识别误差降低90%以上,有效提高了载荷识别精度。

混合弹性边界下板类结构的动力学分析方法

板结构与其他构件的装配关系可用不同的边界条件进行模拟,然而针对不同边界条件的板结构进行动力学特性分析,目前缺乏统一的数学建模方法。以混合弹性边界条件下加筋、开孔的板类结构的横向振动为例,利用Rayleigh-Ritz法和模态叠加法求解矩形加筋多孔板在简谐激励下的动力学响应问题。采用将开孔板与加强筋沿交界面进行分离,结合改进的傅里叶级数设定开孔板的横向振动位移函数,利用不同刚度弹簧模拟混合弹性边界,推导加筋矩形开多孔板和边界弹簧系统的动能与势能,求解其在简谐激励下的动力学响应。经对比,理论计算结果与有限元(Finite Element Method,FEM)结果吻合良好。此外,用同样的方法分析不同孔尺寸对结构固有频率和响应的影响。研究发现,可通过改变加筋板的开孔形状、尺寸对结构的振动特性进行调整。研究成果可为混合弹性边界板结构动力分析提供一种新的技术途径,可以简化加筋开孔板结构动力分析的步骤。

基于改进傅里叶级数的黏弹性夹层板动力问题的数值算法研究

本文提出了一种基于改进傅里叶级数的新型数值算法,用于求解任意边界条件下黏弹性夹层板的自由振动特性。该算法利用一阶剪切理论建立面外位移场,采用改进的傅里叶级数拟合位移容许函数,结合Rayleigh-Ritz法计算动能和势能,并利用Hamilton变分原理得到振动特征矩阵方程。计算结果表明,无论是梁式板结构还是各种边界条件下的夹层板结构,该算法得到的自振频率和损耗因子与解析解、2D有限元解、数值计算法和ABAQUS有限元软件等计算结果相比,误差均不超过1%,计算效率提高了10倍,并且克服了传统方法只能求解特定边界下振动问题的局限性。本文建立的方法具有收敛性好、计算效率高和适应性强等特点。

基于跨模型模态应变能变化的结构损伤识别两阶段法

为提高结构损伤识别精度,采用跨模型模态应变能变化(Cross-model Modal Strain Energy Changes,CMSEC)代替传统的模态应变能变化(Modal Strain Energy Changes, MSEC)建立先定位后定量的结构损伤识别两阶段法.与传统模态应变能(Modal Strain Energy, MSE)计算时仅利用结构损伤后的振型不同,跨模型模态应变能(CMSE)的计算同时利用结构损伤前后的振型.先利用CMSEC构建CMSECI (Cross-model Modal Strain Energy Index)损伤指标来确定损伤位置,筛选出疑似损伤构件后,再利用CMSEC建立定量识别损伤程度的灵敏度方程.采用基于奇异值截断的迭代法求解该方程,以避免迭代过程中可能出现的病态方程问题.根据公式构成可以定性判断CMSEC比MSEC更难被噪声干扰.某简支梁算例表明,本文方法在损伤定位和损伤定量两个阶段均比传统方法具有更高的识别精度.为了深入考察本文方法的优越性,采用蒙特卡洛法从宏观的相对误差上界和具体的相对误差分布这两个视角解释了本文方法优于传统方法的原因.

基于EMD-SSSC分解的振动信号去势

提出一种基于经验模态分解和软筛分准则的振动信号去势方法EMD-SSSC(Empirical Mode Decomposition-Soft Sifting Stopping Criterion,EMD-SSSC),根据软筛分准则自适应控制筛分过程,改善本征模态函数的混叠问题,提高经验模态分解的精度与效率,从而有效去除振动信号的趋势项。通过解析函数和两自由度弹簧-质量-阻尼系统验证该方法的有效性和精度,并进一步将其应用于实际岸桥结构健康监测中加速度响应的去势。结果表明:采用EMD-SSSC方法可以准确剔除振动信号中的趋势项,去势精度远高于最小二乘法;所提出方法既可有效用于数值积分中因积分常数的存在而出现的趋势项,也可合理去除工程实际监测信号中的趋势项。

基于两种梁理论对变幅锥形杆弯曲振动的特性分析及参数设计

为了研究圆锥形杆自由振动的特性,分别基于欧拉-贝努力梁理论和铁木辛柯梁理论,建立变截面杆自由振动的分析模型。采用一种含三角函数的级数形式来表示欧拉-贝努利梁理论下杆的位移函数,以满足端部位移的条件;利用能量泛函极小化得到系数满足的线性方程组,进而获得不同边界条件下圆锥形杆在欧拉-贝努利梁理论下的若干阶固有频率;类似地,假设位移的级数形式并利用能量函数,建立锥形杆基于铁木辛柯梁理论的求解方法,可得各阶固有频率和模态;给出等截面杆在两种理论下固有频率的转化公式,并推广应用到圆锥形杆的固有频率近似转化。算例分析锥形杆截面参数对结构固有频率的影响,并基于目标设计频率和若干限制条件对锥形杆的尺寸进行设计。数值结果表明,在应用欧拉-贝努利梁理论和铁木辛柯梁理论时,所提方法都能够稳定收敛且计算效率高,具有较高的精确度。该研究工作为超声工程中变幅杆的动力学特性提供了计算依据。

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究。在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响。基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题。通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式。基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性。

谷神星一号运载火箭的时变模态参数辨识

针对运载火箭这一大型复杂系统,单纯依靠机理分析难以建立能够精确描述其时变特征的动力学模型,借助模态辨识技术获取其在飞行状态下的时变动力学特性尤为必要。面向运载火箭的飞行模态辨识需求,发展基于时变自回归滑动平均模型的仅输出递推辨识方法,引入指数加权遗忘机制进行时变特性跟踪,能够在激励未知的情况下仅基于响应数据准确快速辨识运载火箭的时变模态。以谷神星一号运载火箭为例,开展飞行遥测数据的快速处理,准确辨识发射准备阶段和飞行阶段的关键低阶时变模态,辨识结果与有限元分析结果的变化规律相互吻合,验证了所提时变模态仅输出递推辨识方法是有效可行的,服务了运载火箭有限元模型修正和姿控系统设计的实际工程需求。

推进轴系弯-纵耦合非线性效应对推力测量精度影响研究

高精度监测推进轴系推力对船舶快速性预报、船-机-桨优化匹配及轴系健康管理等具有重要意义。然而,对于超长推进轴系,由于其跨距大、细长比(轴系半径与长度之比)小、且承受推力大,此时轴系将产生严重弯-纵耦合非线性变形。这将对基于应变或变形位移等形变信息来测量推力的方法产生重要影响。因此,本文研究推进轴系弯-纵耦合非线性效应对推力测量精度的影响。考虑Von Karman非线性位移-应变关系,利用Hamilton变分原理结合有限元方法建立推进轴系非线性力学模型,研究弯-纵耦合效应对轴系变形位移和应变的影响规律,以及由此引起的推力测量误差。研究结果表明:在低转速时,轴系弯-纵耦合效应较弱,对推力测量影响很小;高转速时,忽略轴系弯-纵耦合效应将引起较大测量误差(240 r/min时,误差可达13.95%);测点越靠近螺旋桨,弯-纵耦合效应越强,推力测量误差越大,因此将测点布置在轴系前端推力轴承附近可有效减少轴系弯-纵耦合效应引起的测量误差。研究结果对跨度大、细长比小的超长轴系推力测量有指导意义。

三维波纹型可延展结构振动特性的辛分析

基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voigt粘弹性理论和考虑压电材料的表面压电效应,建立三维波纹结构的理论分析模型;其次,基于能量原理和扩展拉格朗日运动原理,推导出该结构的动力学控制方程;然后采用二级四阶辛Runge-Kutta求解该动力学方程。通过数值仿真实验验证了辛算法的优越性,同时,还发现随着三维波纹型可延展结构外界激励及其结构参数的变化,该结构的振动特性会从倍周期向分岔和混沌转化;本文结果为三维波纹型可延展结构的优化设计及应用提供理论基础。