动力荷载下结构非线性概率模型参数估计及失效概率预测

文章提出基于贝叶斯推理的结构非线性概率模型参数估计方法,结合非线性参数的后验概率分布估计结果,实现结构在动力荷载作用下的失效概率预测。利用结构实测加速度响应作为输入,构建贝叶斯推理的似然函数,采用过渡马尔可夫蒙特卡洛(transitional Markov chain Monte Carlo,TMCMC)算法估计非线性概率模型参数的后验概率分布。当模型参数的后验概率分布被计算之后,利用更新后的参数后验概率分布作为输入,通过随机抽样算法预测结构在动力荷载作用下的失效概率。为验证方法的可行性,对地震荷载作用下的5层钢框架结构进行数值模拟,通过钢框架结构的缩尺振动台试验进一步验证该方法的有效性。研究结果表明:该方法能够准确实现非线性模型参数的后验概率密度计算,能够对结构在地震荷载下的失效概率进行有效预测。

多策略融合改进的沙猫优化算法及其在非线性马斯京根模型参数估计中的应用

针对广义非线性马斯京根模型在河道洪水演进中参数估计精度低及易陷入局部最优解的问题,文章提出一种多策略融合改进的沙猫优化算法(MSCSO),以提高洪水演算的精准程度。首先,利用Logistic混沌映射等策略提升原算法寻优能力;其次,通过与沙猫优化算法(SCSO)、灰狼优化算法(GWO)及正余弦优化算法(SCA)对比,验证MSCSO在寻优性能上的优势;最后,将其应用于广义非线性马斯京根模型参数优化。实验结果表明:MSCSO算法有效提升模型精度,具有广泛的应用前景。

考虑终端用户注入的实时信息配电网拓扑结构及参数估计

智能电网的发展与应用对于配电网拓扑结构和相关线路参数的估计带来了新的挑战,配电网的高效运行受到实时节点和线路电表的影响,为实现对配电网运行的有效控制和优化,对配电网的拓扑结构和参数进行估计势在必行。研究了径向平衡配电网中的拓扑和参数估计问题,针对叶节点进行测量,同时将中间节点进行隐藏,传统算法基于带时间的电压样本、节点功率注入的统计数据和线路阻抗,恢复真实的配电网拓扑结构,在此基础上提出了一种改进算法,只需要带时间的电压样本和功率样本来恢复真实的拓扑结构和阻抗,而无需其他额外的信息输入,简化了计算复杂度。最后通过针对性的案例分析,验证了该算法对于拓扑估计的正确性。

耐张型悬索支撑输电结构风振非线性有限元分析

耐张型悬索支撑输电结构是一类适用于山地地形的新型输电结构,其主要受风荷载控制。为此,该研究发展了该输电结构风振非线性有限元分析模型并开展了结构风振响应分析。考虑结构的几何非线性,通过单元应变能与位移的关系推导了支撑悬索和输电线的三维杆单元切线刚度矩阵;给出了支撑悬索和输电线的单元质量矩阵、阻尼矩阵以及由风荷载等效而得的单元节点荷载向量;基于非线性有限元理论,建立了耐张型悬索支撑输电结构风振非线性动力方程,并采用了结合Newton-Raphson迭代法的Newmark-β法求解非线性动力方程;通过所建立的动力学分析模型对两跨耐张型悬索支撑输电结构进行了风致非线性振动分析。算例分析结果表明:①提出的模型具有较好的计算精度和较高的计算效率;②悬索支撑导线部分的低阶固有频率比悬索支撑地线部分的低阶固有频率更低;③该输电结构的输电线位移响应受风荷载影响较大;④输电线侧向位移和支撑悬索张力受风速和风向角影响均较显著。

飞行器轨迹的半参数估计方法

提出一种基于半参数建模的飞行器轨迹估计新方法,通过抑制不可参数建模的测量系统误差提高轨迹的估计精度。利用不等距节点B样条函数建立飞行器轨迹的参数模型,将轨迹参数模型代入测量模型中,并将测量模型中不可参数建模的系统误差表示为非参数,进而建立包含轨迹参数待估量和系统误差非参数待估量的半参数回归模型。采用轨迹参数估计和系统误差分离交替迭代的方式求解该半参数回归模型,利用非线性最小二乘法估计轨迹参数,通过小波分析从残差数据中分离系统误差。理论分析和仿真结果表明,半参数估计方法的轨迹估计精度优于忽略测量系统误差的参数估计方法。

非线性动态系统模型结构确定和参数估计新算法

非线性动态系统模型一般可表示为NARMAX模型的形式,本文对此类模型给出了同时确定模型结构和参数的递推新算法,它基于“新息”理论和一些信息准则,借助于矩阵运算的技巧,将新息计算、结构确定和参数估计巧妙地结合起来,因而计算量小,并能确保得到最优的系统描述,最后用仿真例子验证了新算法的有效性。

柔性连接填充墙RC框架结构非线性有限元分析

为了研究橡胶作为新型柔性连接材料对填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能的影响,在7榀1/2缩尺填充墙RC框架结构低周反复加载试验的基础上,采用DIANA有限元软件分析了填充墙与框架之间的连接方式、砌块材料、柔性连接材料以及砂浆强度对填充墙RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:与刚性连接相比,以橡胶作为新型柔性连接材料,能减缓结构的强度和刚度退化,极大降低结构的破坏程度,显著提高结构的抗震性能;高弹性橡胶和高阻尼橡胶作为柔性连接材料均表现出优异的抗震性能,而聚苯板(EPS)作为柔性连接材料的抗震性能要比橡胶差;刚性连接方式下不同砌块材料对结构抗震性能影响很大,当使用强度较高的砌块材料时建议采用柔性连接方式以减弱墙-框相互作用;合理降低砂浆的强度等级,可以改变填充墙的破坏模式,对抗震有利。

共旋梁单元几何非线性分析的子结构方法

采用有限元方法分析结构的非线性行为必须进行多次迭代求解,因此在保证非线性计算精度的同时提高其计算效率是关键。该文以内含2个平面梁单元的子结构为例,建立一种平面梁结构基于共旋法与子结构的几何非线性分析方法。共旋法具有将刚体位移从结构的大位移中扣除而得到准确的小变形的特点,子结构法则能将内部节点的自由度凝聚到边界节点从而大大减少结构非线性平衡方程组的阶数,该文将两者结合并利用有较好的通过荷载和位移极限点功能的修正弧长法编制了计算程序,对荷载-位移曲线具有“位移跳跃”或“荷载跌落”显著特征的数个算例进行分析,与已有文献的结果对比验证了方法及程序的正确性。

非线性结构系统的局部连接刚度辨识方法研究

连接结构在工程应用领域广泛存在,连接位置处的局部非线性特征对结构系统的动力学建模与特性预示具有重要影响。针对非线性结构系统局部连接参数未知或难以测量的问题,本文从结构动力学反问题的角度出发,提出一种基于频响函数变换的局部线性连接刚度辨识方法,通过与时域非线性子空间辨识方法相结合,可进一步获取非线性结构系统的局部线性和非线性连接刚度。设计并搭建三自由度结构系统的数值算例和实验系统,开展辨识方法的数值和实验验证,结果表明,所提方法能够分离并辨识得到非线性结构系统的标称线性系统频响函数和非线性参数,进而实现局部线性和非线性连接刚度的联合辨识。

新型零泊松比类蜂窝结构面内非线性刚度研究

几何非线性刚度研究对变形飞行器结构大变形的应用具有重要意义。为研究具有正弦波纹壁的零泊松比类蜂窝结构面内大变形时的非线性力学行为,基于非线性梁理论,考虑几何非线性建立了大变形下的非线性力学模型。利用有限元仿真验证了理论分析方法的正确性,通过参数分析讨论了几何参数对等效应力-应变曲线的影响。结果表明,随着应变的增加,结构的几何非线性造成结构的等效拉伸刚度增大;应力-应变曲线受波纹度、蜂窝角、厚度比的影响较大,受高度比影响不明显。

基于直接分析法的钢结构非线性施工过程分析

对于大型复杂空间钢结构,可靠的施工过程分析对保障施工安全性和钢结构安装质量具有重要意义。在传统施工过程分析与钢结构直接分析的基础上,提出一种考虑构件和安装模块初始缺陷以及变形累积的钢结构非线性施工过程分析方法。利用NIDA软件将该方法应用于成都某大悬挑钢桁架结构的施工过程分析中,确保了施工方案的可行性。同时,对比分析了非线性施工过程分析、一次成型分析和线性施工过程分析3种分析工况下结构关键节点位移及构件应力情况,并与施工实测值进行了比对。结果表明,一次成型分析与线性施工过程分析的位移较实测值偏小,而基于直接分析法的非线性施工过程分析结果与实测值更加吻合,验证了该方法的准确性及适用性。

基于浮动投影方法的三维非线性结构拓扑优化研究

针对三维非线性拓扑优化设计时的单元畸变现象与刚度准则选取问题,以涉及几何与材料非线性的超弹性结构为研究对象,对三维非线性结构拓扑优化进行了研究。首先,将物理场变量与Mooney-Rivlin模型线性相乘以表征设计域的超弹性,并提出了一种用于线性插值方案的改进附加超弹性技术,通过将Yeoh超弹性材料加入到低刚度区域,缓解了单元畸变现象;然后,基于三场密度模型,构造了三维超弹性结构拓扑优化的数学列式,在该框架下,比较了最小化末端柔度和最大化平衡势能两种刚度准则,推导了相应的灵敏度表达式,并采用浮动投影方法施加了设计变量的0/1约束;最后,采用两个数值算例对该方法的有效性进行了验证。研究结果表明:大变形情况下,不同目标函数的优化结果在拓扑构型和结构响应方面具有显著差异,但与线性设计相比,其均具有更优的力学性能。

基于非线性能量汇胞元的浮筏隔振结构减重研究

针对舰艇浮筏隔振系统设计技术瓶颈,特别是严格的重量和空间尺寸限制难题,基于非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink,NES)的宽频自适应性能,本文提出应用NES胞元(NES cell)的浮筏隔振结构设计减重方法。NES胞元分别并联于浮筏隔振系统的所有子结构。建立4自由度的浮筏隔振系统和耦合NES胞元的减振系统的动力学模型,应用谐波平衡法(Harmonic Balance Method,HBM)推导出非线性系统的稳态响应满足的近似解析表达式,并利用龙格-库塔法(Runge-Kutta,RK)进行了数值验证。通过力传递率响应对比了不同的系统总重量与胞元数目下的振动抑制效果,并分析了胞元数目和系统总重量对系统振动的影响。结果表明,NES胞元能够在系统总重量降低的同时有效降低浮筏隔振系统全部模态的振动传递率。

考虑柱体摇摆效应的殿堂式木结构古建筑非线性地震反应分析

为了准确描述半刚性榫卯连接柱架在地震作用下的动力性能,采用非线性转动弹簧以模拟柱体在地震作用下的摇摆行为,基于柱体、榫卯节点及斗栱的非线性恢复力模型,提出了单层殿堂式木结构地震分析的集中质量简化分析模型,进行了地震作用下的结构动力响应时程分析。通过计算时程曲线与振动台试验结果的对比分析发现,未考虑柱体摇摆的计算值与试验值的误差较大,考虑摇摆效应的整体结构时程曲线计算峰值与柱架的实际位移峰值误差相对较小,且峰值出现的时间基本相同。基于简化模型进一步进行了参数分析,结果表明:竖向荷载可以显著降低殿堂式木结构的地震位移响应;柱高越大,结构的地震位移响应越大;结构的地震位移响应随着榫卯节点转动刚度的增大而显著降低;斗栱数量的增加提高了整体结构的抗侧刚度,从而降低了结构的地震位移响应。研究结果可为木结构古建筑在地震作用下的性能评估提供计算依据。

考虑双重非线性的梁-柱结构荷载-变形预测解析方法

既有梁-柱结构的服役荷载主要形式以轴力产生的偏压荷载以及垂直于梁柱结构轴线的服役荷载为主。目前,针对细长结构压弯耦合荷载导致的稳定性问题,主要采用2种方法进行结构分析,即特征值法和荷载-挠度法。由于实际桥梁构件存在一定的几何缺陷和材料刚度退化,采用忽略非线性的特征值法会高估承载能力。以任意截面形式组成的简支梁为例,基于Ritz法,并结合能量平衡条件,分别建立了考虑几何非线性和材料非线性的简支梁-柱结构在偏压荷载和多种竖向作用耦合作用下的第二类稳定解析分析模型,并建立了不同初始缺陷的变截约束混凝土柱有限元分析模型。研究结果表明:解析模型结果与有限元结果相比较,二者吻合良好。建立的解析模型可以精确考虑双重非线性的二阶效应。

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

基于非线性方法的核级双层容器及支承结构热棘轮效应研究

核级双层容器承担一回路压力边界和一回路冷却剂“纵深防御”包容的双重安全功能,是高温反应堆本体常用的一种结构形式。然而内层容器在瞬态工况下温度变化剧烈,内外层容器之间导热性能差,内外温差大,热棘轮效应是可能的重要失效机制。本文通过建立核级双层容器及支承结构轴对称有限元模型,使用非线性方法分析其在热-机循环载荷作用下温度、应力和应变的响应,研究棘轮效应分布的规律和特征。结果表明:热棘轮效应显著,是该类容器的主要失效模式;热棘轮敏感区域分布具有多点式的特点,在内外层容器不同部位均有涉及;危险区域的塑性应变累积行为主要出现在循环温度载荷的降温阶段,应变增量随循环次数的增加逐步稳定。结论指出热棘轮效应是核级双层容器结构设计必须关注的重点问题,所建立的非线性分析方法是解决该问题的有效手段。本研究可为核级双层容器热棘轮分析以及一回路工况参数优化设计和应变监测测点布置提供重要方法指导。

基于自动微分的桁架结构材料非线性分析

基于深度学习技术,提出一种基于自动微分技术的桁架结构材料非线性问题求解方案。以各杆件的位移参数作为优化变量,采用随机算法初始化杆件位移,并对结构荷载分段。在每个荷载段中,先通过几何关系由位移参数求得杆件的应变,并由材料的本构关系计算出各杆件的应力,由节点力平衡方程构建损失函数。为了使得损失函数最小,再结合自动微分技术,构建损失函数与节点位移的计算图,以快速求解损失函数关于结点位移的梯度。最后,根据梯度下降法对杆件位移进行迭代优化,直至满足收敛条件。以桁架结构作为研究对象,基于线性强化模型,求解了不同桁架的材料非线性问题,并将计算结果与有限元解进行对比。结果表明,此方案在弹塑性问题分析中的可行性,且求解结果具备较高的精度。

含裂纹缺陷的预扭壳结构非线性振动特性研究

基于扩展等几何方法和一阶壳体剪切变形理论建立了含裂纹缺陷的功能梯度预扭壳结构的非线性振动控制方程。控制方程中考虑了预扭壳结构的预扭角度及几何非线性,应用扩展等几何方法,采用反映位移变化的富集函数来描述裂纹的位置及长度,一方面可以提高计算精度,另一方面可以避免在裂纹处的网格加密,提高计算效率。采用了直接迭代法求解非线性振动控制方程。通过与现有文献结果对比,证明了本文方法的正确性和稳定性。在此基础上,探究裂纹对功能梯度预扭壳结构非线性振动频率的影响,研究了预扭角度、裂纹位置及长度和材料的功能梯度指数等参数对预扭壳非线性振动特性的影响规律。

考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法研究

随着物理试验技术的快速发展,结构模型试验可较准确获得结构在环境荷载作用下的动力响应,但在土-结相互作用、区域群体结构、大型复杂结构的风洞、拟静力及动力等模型试验问题研究中,简单、实用、准确的结构试验简化模型仍是研究的重点。针对现有模型简化方法中非线性力学参数标定复杂、试验可行性不足等问题,提出了一种考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法,将模拟高层结构的弯、剪恢复力模型分解为线性和非线性行为的组合,其中结构非线性行为采用库仑摩擦模型模拟,因其参数简单,具有一定物理意义,可直接适用于缩尺模型动力试验研究中。基于上述理论方法,将弯剪耦合模型和平扭摩擦装置有效结合,提出了用于缩尺动力试验的物理模型设计方法及等效刚度、屈服后刚度和承载力等参数的计算方法,并建立了对应的“层间双剪切、双弯曲弹簧”力学计算模型,可通过模型试验结果较好地预测原型结构弹性及非线性阶段的动力响应。以某高层结构为例,通过数值模拟和振动台试验验证了该方法的准确性和可行性。