点阵夹芯圆柱壳自由振动分析的波有限元方法

针对点阵夹芯圆柱壳的自由振动分析发展了波有限元法.首先基于自由波的传播规律,建立了点阵夹芯圆柱壳胞元的二维波有限元控制方程,相比于全尺寸有限元模型,显著缩减了控制方程的自由度规模;其次,基于Neumann级数推导了约束动刚度矩阵求逆的显式表达式,不仅可以提高计算效率,而且使得固有频率从控制方程中分离出来,从而将点阵夹芯圆柱壳的固有频率求解转化为单个胞元自由度规模的二次特征值问题;最后,根据结构振动模态与自由波的关系,给出了圆柱壳轴向和周向的波传播参数的表达式,进而求得点阵夹芯圆柱壳的固有频率和模态.数值算例考虑了多种边界条件下的点阵夹芯圆柱壳自由振动问题,验证了该方法的正确性和高效性.

高模态密度结构宽频振动分析的小波有限元方法实现

高模态密度结构的宽频振动分析问题是声振分析领域内关注的重点问题之一,可实现宽频振动预测的数值分析方法是该领域内重要的研究内容,有效的宽频振动数值分析方法应在低频至高频域可同时提供精准的数值解。然而,由于明显的耗散误差和计算成本过高导致传统有限元方法(traditional finite element method,TFEM)在对高模态密度结构进行宽频振动分析时,难以在高频域提供精准的数值解,致使无法实现有效的宽频振动分析。而小波有限元分析方法(wavelet finite element method,WFEM)在进行结构分析时具有潜在的求解效率优势,并且可大幅度降低耗散误差带来的影响。为此,本文首先构造了基于小波有限元理论进行宽频振动分析时的自耦合算法,并据此介绍了小波有限元方法对高模态密度结构进行宽频振动分析的架构,形成了宽频小波有限元分析方法(wide wavelet finite element method,WWFEM)。随后,采用数值分析研究方法,基于WWFEM对具有解析解的高模态密度薄板结构进行了宽频振动分析。最后,采用实验分析研究方法,预测了高模态密度结构在宽频域内的振动响应。在此基础上,对比分析了小波有限元方法在进行高频振动分析时的收敛性和宽频振动分析的有效性等。可为依据小波有限元分析方法解决圆柱壳、曲壳等高模态密度结构宽频振动分析问题提供理论参考。

基于小波有限元的电力机车受电弓故障检测方法

传统的电力机车受电弓故障检测方法的耗时较长,无法实现实时故障检测,文章基于小波有限元设计了新的电力机车受电弓故障检测方法:首先,采集处理电力机车受电弓故障图像;其次,基于小波有限元构建受电弓故障图像处理模型;最后,设计电力机车受电弓故障检测小波有限元变换算法,从而实现电力机车受电弓故障检测。试验结果表明,设计的电力机车受电弓故障检测方法的检测耗时较短,具有实时性,有一定的应用价值。

基于小波有限元的裂纹故障诊断

从线弹性断裂力学的角度考虑裂纹引起的局部附加柔度,进而构造了小波有限元裂纹刚度矩阵,提出了基于小波有限元的裂纹故障诊断算法,克服了裂纹奇异性给传统有限元算法造成的困难.将系统前3阶的固有频率作为输入,绘制裂纹等效刚度与裂纹位置的3条曲线,根据曲线的交点可以预测出裂纹的位置与尺寸.用于研究该算法精度的裂纹轴数值算例表明:裂纹位置与尺寸的辨识误差均不超过2%,这为工程实践中早期微弱裂纹的故障预示与诊断提供了新的方法.

基于小波有限元的悬臂梁裂纹识别

研究了悬臂梁裂纹识别中的正反问题 ,即通过裂纹位置和尺寸求解梁的固有频率以及利用梁的固有频率 ,识别裂纹位置和尺寸。以矩形截面裂纹悬臂梁为例 ,利用小波有限元方法建立了梁自由振动的有限元模型 ,其中裂纹被看作为一刚度已知的扭转线弹簧 ,求解出了系统的固有频率 ;通过行列式变换 ,将反问题求解简化为只含线弹簧刚度一个未知数的一元二次方程求根问题 ,分别做出了以不同固有频率作为输入值时裂纹位置与弹簧刚度之间的解曲线 ,曲线交点预测出裂纹的位置与尺寸。数值算例证实了算法的有效性 。

小波有限元的研究及其工程应用

研究了一类新的有限元空间,它以小波尺度函数作为插值函数,从而构造出了小波有限元.利用小波的两尺度方程,很好地解决了因Daubechies小波尺度函数无明确解析表达式造成的积分困难,推导出了小波有限元常用刚度矩阵及载荷列阵积分公式,并给出了小波有限元用于薄板弯曲的分析列式.通过薄板弯曲及办公纸张温度场的数值分析,表明小波有限元具有满意的分析精度,可消除由于温度梯度变化而引起的0 5%左右的数值失真,并在处理变边界条件等大梯度问题方面,优于传统的小波有限元.

基于小波有限元法的悬臂梁裂纹识别的试验研究

利用小波有限元法求解了裂纹悬臂梁的前三阶固有频率,并将其拟合成以裂纹位置和深度作为变量的固有频率解曲面;将实测的裂纹梁前三阶固有频率作为裂纹识别反问题的输入,绘制出各阶固有频率等高线,三条等高线的交点预测出裂纹存在的位置和深度。试验结果验证了算法的有效性,这为其实际应用提供了有力的试验依据。

基于区间B样条小波有限元的转子裂纹定量识别

研究一种基于区间B样条小波有限元的转子横向裂纹定量识别方法。构造包含转动惯量影响的区间B样条小波Rayleigh梁单元,高精度求解裂纹转子前三阶固有频率,获得裂纹相对位置和相对深度作为变量的固有频率解曲面。然后将实测的裂纹转子前三阶固有频率作为裂纹识别问题的输入,利用三条等高线的交点定量识别出裂纹存在的相对位置和相对深度。数值仿真和试验研究结果表明,该方法鲁棒性强,单元数量少,辨识精度和效率高,为转子系统裂纹定量识别提供了新方法。

Daubechies小波有限元求解GPR波动方程

基于可分离小波理论,由一维Daubechies尺度函数的张量积构造二维Daubechies小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,导出了二维Daubechies小波有限元GPR方程离散格式;通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达场值之间转换.引入自由度凝聚技术,有效解决了小波有限元求解中小波单元内部自由度过多的问题,节约了计算量并方便与传统有限元法耦合.然后,详细阐述了Daubechies小波有限元联系系数计算方法,有效解决了小波有限元求解偏微分方程的难点与核心问题.最后,以两个典型GPR模型为例,对比了Daubechies小波有限元与传统有限元的雷达正演剖面图与单道波形图,结果表明:在相同的剖分方式及节点数目条件下,Daubechies小波有限元的紧支性与正交性一定程度上提高了求解效率,它与有限元法求解结果能较好地吻合,验证了Daubechies小波有限元算法的正确性.

小波有限元理论研究与工程应用的进展

小波有限元是一类新的有限元逼近方法,将信号处理领域中小波函数的多分辨思想引入有限元法中,以小波函数作为插值函数,构造出嵌套递进的多尺度广义有限元逼近空间,使得求解问题可以先用较粗的网格分析,特定奇异区域通过自适应多分辨剖分获得更好的逼近,该算法数值稳定性好、适宜求解奇异性问题。从小波加权残值法、小波有限元理论以及自适应小波有限元三个方面,综述了小波有限元国内外研究现状,并介绍了小波有限元在大梯度非线性、裂纹定量预示等方面的工程应用进展,指出了其关键技术、存在问题以及工程实用前景。

工字截面梁轨结构裂纹损伤的小波有限元定量诊断

研究工字截面梁轨结构裂纹定量识别中的正反问题,即通过裂纹位置和深度求解结构的固有频率以及利用结构的固有频率,识别裂纹位置和深度。裂纹被看作为一扭转线弹簧,利用工字梁裂纹应力强度因子推导出线弹簧刚度,构造出结构的小波有限元刚度矩阵和质量矩阵,从而获得裂纹结构的前3阶固有频率。通过行列式变换,将反问题求解简化为只含线弹簧刚度一个未知数的一元二次方程求根问题,分别做出以不同固有频率作为输入值时裂纹位置与裂纹深度之间的解曲线,曲线交点预测出裂纹的位置与深度,试验结果验证算法的有效性。

流体饱和多孔隙介质二维弹性波方程正演模拟的小波有限元法

本文将小波有限元法引入到流体饱和多孔隙介质二维波动方程的正演模拟中,以二维Daubechies小波的尺度函数代替多项式函数作为插值函数,构造二维张量积小波单元.引入一类特征函数解决了Daubechies小波没有显式解析表达式所带来的基函数积分值计算问题,并推导出计算分数节点上Daubechies小波函数值的递推公式,从而构造出由小波系数空间到波场位移空间的快速小波变换.数值模拟结果表明该方法是有效的.

区间B样条小波有限元GPR模拟双相随机混凝土介质

基于可分离小波理论,由一维区间B样条小波尺度函数的张量积构造二维B样条小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达电磁场之间的转换.应用Galerkin算法,推导了二维区间B样条小波有限元GPR波动方程离散格式,求出了2阶1尺度与2阶2尺度BSWI尺度函数的积分值及联系系数,给出了该算法的详细求解过程.编制了BSWI的Matlab模拟程序,应用该程序对两个典型实例进行了正演,结果表明:BSWI能采用较少的单元达到与FEM相似的精度,而BSWI算法尺度提升能提高解的精度,但耗时会急剧增加.最后,将BSWI算法应用于双相随机混凝土模型,说明随机介质模型理论能灵活、有效地描述实际混凝土介质的分布,正演剖面与实测剖面特征更相符,能更真实地模拟雷达波的传播过程,可为提高GPR的探测效果和解释准确性提供理论基础.

梁类结构多裂纹微弱损伤的小波有限元定量检测方法

提出了一种定量检测梁类结构多裂纹参数的方法。利用适宜求解奇异性问题的小波有限元法,从动力学正问题入手,对裂纹梁进行有限元建模,获得裂纹故障在结构固有频率上反映的本质征兆,并利用曲面拟合技术绘制出以裂纹位置和深度作为变量的固有频率变化率曲面,然后对整个裂纹梁进行剖分,迭代求解出每个剖分单元上的结构损伤系数。损伤系数为正的单元诊断为裂纹单元,在每个裂纹单元上求出裂纹对应的前三阶固有频率变化率,并分别将其作为输入参数代入固有频率变化率曲面,做出前三阶模态的频率变化率等高线,最后通过三条等高线的交点预测出裂纹存在的位置和深度,算例分析验证了该算法的有效性。

含裂纹结构模态分析的小波有限元法

针对常规有限元在描述裂纹尖端附近应力场方面的不足,提出了基于四边形奇异等参元的小波有限元新方法,该方法将小波有限元和断裂力学理论相结合,建立了含裂纹结构的小波有限元模型,推导了小波单元和裂纹单元的单元刚度矩阵,求解了该结构的前四阶固有频率及振型.将计算结果与ANSYS分析结果比较可知:采用小波单元的求解结果优于900个plane183单元,与1600个plane183单元求解结果吻合,相对误差不超过2%.这表明该方法可用较少单元获得较高计算精度,适宜工程奇异性问题的求解,具有一定的工程应用价值.

基于小波有限元的悬臂梁裂纹遗传优化辨识

利用小波有限元法求解了裂纹悬臂梁的前三阶固有频率,并将其拟合成以裂纹位置和深度作为变量的频响函数曲面。将裂纹识别中的匹配追踪问题转化为多维优化问题,以实测固有频率作为输入,利用遗传算法寻优求解出与输入值相差最小的样本点,进而预测出裂纹的位置和深度。试验研究表明,所提出的裂纹识别方法具有较好的精度和鲁棒性,且易于推广到诸如转子、叶片等复杂结构的裂纹监测诊断场合。

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。

基于小波有限元和遗传优化算法的转轴裂纹诊断

构造Rayleigh-Euler和Rayleigh-Timoshenko区间B样条小波梁单元,分别离散柔性转轴和刚性转盘,建立转子系统有限元模型。求解裂纹转子前三阶固有频率,并将其拟合成裂纹相对位置和相对深度的函数。将裂纹识别中的匹配追踪问题转化为多维优化问题,以实测固有频率作为输入,利用遗传算法寻优求解出与输入值相差最小的样本点,进而测出裂纹的相对位置和深度。试验研究表明,所提出的裂纹诊断方法具有较好的精度和鲁棒性,且易于在工程实践中进行裂纹转子定量诊断。

基于小波有限元的平面问题求解方法

利用B-样条小波的性质,以小波尺度函数作为插值函数,构造了常用的三角形和矩形小波单元,在此基础上,推导出了利用小波有限元求解平面问题的计算公式,为平面问题的求解提供了一种新的计算方法。数值算例表明,与理论解及商用软件Ansys的分析结果相比较,本文构造的小波单元求解方法具有计算精度高,收敛比较快的特点。

基于波有限元法的流固耦合结构波传导问题

采用波有限元方法研究流固耦合结构中的波传导问题。该方法以有限元法为基础,首先建立研究对象的有限元法模型,得到模型的动态刚度矩阵。通过对动态刚度矩阵的重新排列组合得到研究对象的传递矩阵,求解传递矩阵的特征值问题可以得到分别代表自由波传递的波数和波模。该研究首先分析独立流体结构和固体结构中的振动问题,并比较了采用波有限元法和理论方法求解得到的固体结构中波数分布情况,验证了模型的正确性。随后采用波有限元法分析流固耦合结构中的波传导问题。波有限元法的应用并不局限于所给出的均匀或周期性结构,还可将其应用于缓慢变化的非均匀结构。