变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

基于幂函数的路面不平度白噪声激励模拟方法

对基于有理函数的路面不平度白噪声激励模拟方法进行了分析,指出了该方法存在的不足。提出了一种基于幂函数的路面不平度白噪声激励模拟方法,并对其两轮路面不平度输入的白噪声激励模拟方法进行了推导。通过对不同等级路面的仿真,验证了所提出方法的可行性。

白噪声激励下双稳态压电发电系统的响应分析

研究了白噪声激励下双稳态压电发电系统的响应特性。首先利用蒙特-卡罗法模拟高斯白噪声;然后利用数值模拟和实验的方法分别分析了噪声强度、负载阻抗和初始值对系统响应特性的影响。得到了噪声强度的增加会减少双稳态系统两个稳定平衡点之间的跳跃时间。通过给出大幅运动的吸引域说明初始值会影响系统的运动状态,从而影响输出功率,当电阻为19.1kΩ时,输出功率最大。

白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器动力学特性研究

目前,将环境振动直接转换为电能已成为能量捕获器研究的热点。对附加线性振子的双稳态电磁式能量捕获系统建立了动力学方程,从数值仿真的角度研究了白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器的动力学行为,分析了噪声强度、系统质量比和频率比对发电性能的影响。计算结果表明,随着噪声强度、质量比和频率比的增大,双稳态发电振子的运动幅值在不断增大,并且会产生大幅混沌运动,同时系统的输出电压也在不断增大,为双稳态电磁式能量捕获系统的相关研究提供了理论基础。

时滞多维轨道不平顺激励的一致白噪声模型

为获得各轮轴处轨道不平顺,用于列车-桥梁振动控制和随机振动分析,研究了轨道不平顺的模拟方法.采用白噪声滤波法生成单轮轴的轨道不平顺;为实现不平顺波长选择,提出了成型滤波器参数的宽频带识别法.为考虑各轮轴间的时延,利用相邻轮轴间的短时滞,构造了基于高阶Pade近似的累次时滞系统.将成型滤波器与时滞系统相结合,得到了以白噪声为输入、列车各轮轴处轨道不平顺为输出的状态方程.算例表明,模拟样本与轨道不平顺目标谱密度相符,且满足各轮轴处轨道不平顺之间的时滞关系.

基于延时随机子空间方法的非白噪声环境激励结构模态参数识别

为了消除非白噪声环境激励在结构模态参数识别结果中产生的虚假模态,引入扩展状态模型,从状态空间方程的角度论证了虚假模态产生的原因;然后,针对一类具有典型性和代表性的(自相关函数在纵坐标轴附近一定范围内有非零值的)非白噪声环境激励信号,在传统随机子空间算法的基础上引入延时指标,建立延时随机子空间方法。数值算例表明延时随机子空间方法能够有效地剔除非白噪声环境激励在模态参数识别结果中产生的虚假模态,放宽了传统模态参数识别方法对环境输入的白噪声假设。

白噪声参激余维2分叉系统研究

为考查白噪声参激的具有非半简双零特征值的一类余维二分叉系统的样本稳定性并确定其首次分叉点的位置，本文使用Ｌ．Ａｒｎｏｌｄ的渐近分析方法研究了系统最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数的渐近分析式．为进一步研究噪声对于此系统退化分叉的影响，本文将使用一维扩散过程的奇异边界理论，考查“隐藏在余维２分叉点之后”同宿分叉系统受参激白噪声影响的分叉行为．

一种随机激励下时变结构工作模态辨识方法

时变结构在随机激励下的瞬时频率辨识始终是一项充满挑战的任务。结合图像处理技术和基于能量的脊线检测方法,提出一种自适应提取时频脊线的方法,其优点在于无须先验信息(如分量个数、分量带宽)即可实现时频域内所有分量脊线的提取,同时增强脊线提取的稳定性。在已知瞬时频率的基础上,又利用多通道固有啁啾分量分解方法实现时域内各通道各频率成分的同步分离,通过计算各分量的瞬时振幅比值获得瞬时振型。白噪声激励下的三自由度时变结构仿真和色噪声激励下的充液圆筒放水实验证明了该方法的有效性、鲁棒性和实用性。

随机激励下自复位结构首次穿越失效研究

自复位结构遭受地震或强风荷载时,会发生显著的非线性随机振动,这可能导致结构的运行性能大大降低,甚至完全失效.本文旨在研究随机激励下双自由度自复位结构的首次穿越失效问题.应用广义谐波平衡技术,将自复位恢复力进行分解,获得等效随机系统;利用随机平均原理推导出关于幅值的平均Ito随机微分方程;求解后向Kolmogorov(BK)方程得到首次穿越时间的条件可靠性函数和条件概率密度函数通过.作为算例,选用金井清滤波白噪声模型,分析了激励强度D及土层阻尼比ξg取值变化时对条件可靠性函数和条件概率密度函数的影响.通过与Monte Carlo模拟得到的结果进行对比,验证了解析解的有效性.

白噪声荷载作用下的拉索半主动控制研究

商业建筑和体育场馆类建筑因其使用场景的特殊要求,对其大跨度穹顶拉索的振动控制要求极高。为研究大跨度拉索在强迫荷载作用下的半主动控制效果,本文利用MR阻尼器构建一套可实现的半主动控制系统,并基于MATLAB环境搭建控制平台,模拟实际工程中的白噪声荷载,研究拉索体系在该荷载作用下的强迫振动。研究表明:MR阻尼器对于白噪声荷载作用下的拉索振动有较好的控制效果,且中点处的减振效果优于被动控制,可运用于大跨度拉索的减振。

隔震结构基于Kanai-Tajimi平稳激励谱矩的简明解析解

隔震结构基于Kanai-Tajimi激励下的地震动位移、层间剪力及其谱矩的分析,是计算其动力可靠度的前提,针对传统方法计算上述响应非常复杂的问题,提出了一种简明解析解法。由于Kanai-Tajimi谱可用基于白噪声随机激励的二阶滤波方程表示,提出将其与隔震耗能体系地震动方程联立,进而将基于Kanai-Tajimi随机激励的地震动转为基于白噪声激励的地震动响应。利用复模态方法并基于随机振动理论获得隔震体系随机地震动激励下的位移及速度、层间剪力及其速度的协方差简明表达式,利用Wiener-Khinchin定律,获得位移及层间剪力的功率谱简明表达式。最后基于平稳谱矩的定义,研究了可靠度分析的0阶~2阶谱矩的简明解析解。算例表明本文方法具有准确性及简洁性。

融合多工况功率谱密度函数的工作模态分析方法

频域分解(frequency domain decomposition,FDD)方法是开展环境激励下结构工作模态分析(operational modal analysis,OMA)的常用方法。但是,现有的FDD方法存在一些不足:①无法剔除非白激励及谐波激励引起的虚假模态;②无法区分结构密集模态与不相关非白激励产生的虚假模态。通过研究发现功率谱密度(power spectral density,PSD)矩阵的秩是FDD方法性能的决定性因素。在此基础上,提出一种新的工作模态识别OMA方法,该方法结合了不同激励工况下的响应PSD函数矩阵,并分别对单个激励工况下的响应PSD矩阵与多工况下的增广响应PSD矩阵进行奇异值分解,通过对比单工况PSD矩阵与增广PSD矩阵在奇异值峰值处秩的变化,识别出包括密集模态在内的结构模态参数,并消除由非白激励产生的虚假模态。采用桁架结构仿真算例和广州塔的工程数据集验证所提方法的有效性。

轻型木结构楼盖系统的空气声隔声测试理论计算与研究

针对轻型木结构建筑楼盖中存在的隔声问题开展相关楼盖声学研究,探索一种有效解决建筑楼盖隔声问题的方法。以一幢二层轻型木结构建筑同一间卧房中的一种普通楼盖和3种浮筑楼盖为研究对象,采用空气声隔声条件下的标准白噪声与音乐噪声激励测试法,对其开展结构设计、理论验算和现场隔声测试,并开展其隔声量、声压分布特性频谱、噪声源频率特性、隔声声压级倍数关系及其隔声机理等分析。结果表明:3种浮筑楼盖的空气声隔声量整体比普通楼盖提高1~2dB(A);音乐噪声激励条件下,普通楼盖隔声测试值比白噪声激励条件下低2~3dB、3种浮筑楼盖隔声测试值低3~4dB;软木板浮筑楼盖在中高频段隔声效果较好,BGL浮筑楼盖和EPP浮筑楼盖在中低频段的隔声效果较好。研究提出的木结构建筑楼盖系统隔声性能优化设计与检测方法,可以更好地满足住户居住舒适度。

随机地震激励作用下自复位结构的平稳响应

自复位结构是一种震后不需修复或仅需少量修复即可继续投入使用的新型抗震结构。目前有关自复位结构地震响应的研究多是在确定性激励下进行,鲜有涉及随机激励环境。假定地震动加速度过程为金井清过滤白噪声模型,研究了随机地震激励下单自由度自复位体系的平稳响应。应用广义谐波平衡技术分解旗帜形的恢复力,建立原系统的等效非线性随机系统。通过Stratonovich-Khasminskii极限定理作随机平均,得到关于幅值的近似一维扩散过程。建立并求解对应的FPK方程,得到关于幅值的稳态概率密度函数并进行参数分析。数值结果表明,能量耗散系数与屈服位移的减小能降低系统响应,同时,随着这两个参数的变化,系统会出现随机P分岔现象。通过蒙特卡罗数值模拟法验证了解析解的有效性。

谐和与随机激励共同作用下振动能量采集系统的响应预测

非线性振动能量采集技术是近年来获得广泛发展且有效的微电子设备供能手段,而各类设备工作的实际环境较为复杂,亟需建立更加贴近其真实服役环境的模型,以便对俘能效率开展准确的预测与分析.周期激励与随机噪声联合激励模型能有效模拟振动能量采集器的真实服役环境,但当前研究常局限于单独的周期激励或随机激励情形.为此,本文利用径向基神经网络方法,分析谐和与高斯白噪声联合激励下振动能量采集系统的瞬态响应.首先,构造由高斯基函数与时变权值系数组成的FPK方程试解;随后,采用有限差分格式离散时间导数项,构造由FPK方程残差和权值系数约束条件组成的损失函数;最后,对损失函数进行最小化,获得最优权值系数矩阵,进而得到系统时变响应概率密度函数的近似解.以单稳态与双稳态系统为算例,验证该求解方案,考察了机电耦合系数及机电时间常数对系统瞬态响应和输出功率的影响,并通过与蒙特卡罗模拟对比验证了理论解析解的正确性.结果表明,系统在所设激励扰动下,其响应概率密度函数的拓扑结构随时间演化有较大改变;调整系统关键参数将会诱导其发生随机跳跃以及随机P-分岔,且关键参数的改变对俘能效率有显著影响.本工作结果对探究能量采集系统的随机动力学演化规律以及优化系统的俘能效率提供了一定理论性参考.

基于CFD气动力辨识模型的气动弹性数值计算

基于系统辨识技术的非定常气动力降阶模型(Reduced-Order Models,ROMs),保留流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算精度的同时能提高计算效率,但对输入信号加载方式或/和信号频谱要求较高。因此采用基于随机白噪声的模态激励信号进行模型辨识。以一次激励一个模态加载方式在时域内建立多输入、输出的非定常气动力降阶模型。该模型由多个辨识所得单输入多输出自回归滑动平均(Autoregressive Moving Average,ARMA)模型线性叠加而成。用不同频率、形状激励信号对辨识模型与直接CFD计算结果比较结果表明,辨识模型与CFD计算精度一致。将该降阶模型转换为状态空间形式后与结构模型耦合用于Agard445.6机翼颤振边界预测。辨识模型计算结果与非定常N-S方程计算结果及风洞试验结果比较证实,该方法能用于高效气动弹性分析。

非平稳随机摄动分析中的久期项效应

在非平稳随机响应分析中 ,如果结构参数发生变异 ,由于久期项的存在而使通常的摄动法是否可用一直是有疑问的 ,该文研究得出如果结构的阻尼比不是极小 (在 0 .0 1以上即可 ) ,则参数发生中等以下强度的变异时(变异系数在 10 %之内 ) ,一阶或二阶摄动法都可以较好地近似精确解。

汽轮发电机框架式基础1∶10模型动力分析

本文依据模态分析理论并结合规范的要求对某火力发电厂 600MW汽轮发电机的框架式基础1∶10模型振动性能进行了研究,采用白噪声随机激振法对该结构进行了空间整体模态分析,从实测数据中获得了动力特性数值。通过与ANSYS有限元软件数值计算结果的对比,表明理论分析模型的可行性。研究结果将为发展汽轮发电机框架式基础的设计原则和优化动力设计方法提供参考。

单层球面网壳模型动力特性测试实验

为测定单层球面网壳模型振动台实验时的动力特性,进行噪声采集实验,剔除对实验干扰较大的各种环境噪声。通过模型在各种不同幅值白噪声及快速正弦扫频作用下动力响应确定实验所需测试幅值,测定模型的动力特性。通过锤击测定结构动力特性,并通过随机减量技术与HHT相结合方法对锤击结果进行分析。实验结果表明:网壳结构频率密集,各种环境噪声对实验结果干扰较大,应剔除环境噪声影响;采用快速正弦扫频、白噪声激励、锤击法均可准确测定结构的动力特性且结果相差不大。采用有限元软件ABAQUS对实验进行数值模拟,与实验结果对比分析表明,建模精确,有限元模拟可准确确定结构的动力特性。此可为模型振动台实验及结构抗震性能研究奠定基础。

设置粘弹阻尼器的基础隔震结构平稳响应分析

为设置粘弹性阻尼器的多层基础隔震结构平稳地震响应分析的扩阶复模态法.在建立了结构上、下部的运动方程以及阻尼器阻尼力的一阶微分方程基础上;将上部结构按第一振型展开,获得了含有第一振型广义位移、隔震层位移及阻尼力为未知参数的二阶方程组后,通过扩阶将原二阶方程组精确化为一阶状态方程组,运用复模态法,获得了结构位移、速度及阻尼器响应的解析解,在平稳白噪声随机激励作用下,结构及阻尼器的响应方差解析解,并给出一般性算例;最终建立了基于扩阶复模态法分析多层基础隔震结构附加粘弹性阻尼器的平稳地震响应的一整套计算方法.算例结果表明:设置粘弹性阻尼器的隔震结构比一般结构的抗震效果优越很多.