地震作用下结构响应实时预测方法研究

该研究提出修正后的地震下结构响应实时预测理论和方法,并改进了先前建立的神经网络模型的缺陷。对利用神经网络进行地震作用下结构响应实时预测的有效性进行了论证,指出了以往理论中存在的遗漏。该研究着重阐述了在实际应用中面临的问题,包括训练集预处理和训练后模型应用方法等。在修正理论不足的基础上,深入探讨了利用训练后模型进行结构响应预测的方法,提供了可实际应用的地震作用下结构实时响应预测方法。对数据集的预处理方法进行了改进,确保在模型预测时不会发生误差的爆发式累积。为提高结构响应预测的精度和效率,基于编解码器神经网络模型、双向神经网络模块和注意力机制,引入了一种EraquseqNet模型。相较于其他神经网络方法,该研究利用注意力机制解决了信息冗余导致精度下降的问题,并通过双向神经网络模块解决了长时间地震作用下响应预测精度迅速下降的难题。

基于IAAKF算法的结构激励识别与响应重构

针对传统卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)算法实际应用于响应重构时,需要已知结构外部激励并预设先验恒定噪声方差的问题,提出了一种基于IAAKF(innovation-based adaptive augmented Kalman filter)算法的结构激励识别与响应重构方法。首先,基于增广状态空间模型将外部激励向量与状态向量联合构成增广状态向量,并根据增广新息统计特性实时自适应地调整卡尔曼滤波增益和状态估计误差协方差矩阵;其次,仅借助加速度传感器根据模态法来识别锤击激励,并且重构出加速度、速度、位移以及应变响应等数据;最后,对起重机桁架和简支梁分别进行数值模拟和试验分析。结果表明,所提方法能够有效地自适应调整噪声方差和识别结构外部激励,从而实现结构响应重构。

地震动持时和不同持时指标对结构地震响应的影响

选取70条具有不同持时的天然地震波,并采用5%~75%重要持时将谱匹配后的地震记录划分为长、短持时地震记录集,对10层RC框架结构进行IDA分析和弹塑性时程分析,研究地震动持时对结构地震响应的影响,进一步选取35条天然地震波,采用有效持续时间、5%~75%和5%~95%重要持时等不同强震持时指标分别截取相应的加速度时程段,构建不同的地震记录集,分析不同持时指标对RC框架结构峰值响应和滞回耗能的影响。研究结果表明:在相同的地震动强度下,长持时地震动会导致更大的结构层间变形和结构倒塌概率,且随着持时的增加,结构总滞回耗能大幅增加;在罕遇地震水准下,可选取有效持续时间和5%~95%重要持时指标用于结构层间变形和楼层峰值位移分析,而在极罕遇地震水准下,选用有效持续时间具有更高的可靠性;对于楼层峰值速度,不同地震集计算结果均值和变异系数未表现出明显差异;在相同地震动强度下,建议优先选用有效持续时间用于结构滞回耗能分析。

一种Birkhoff形式下结构动响应问题的保辛中点格式

结构动响应预测是结构设计的基础,是结构振动控制、载荷识别的前提。本文在辛体系下针对结构动响应问题,提出了一种Birkhoff形式下的保辛中点格式。首先引入状态变量,并基于摄动方法将结构动响应方程转化为线性自治Birkhoff方程的形式,进一步利用中心差分推导出线性自治Birkhoff方程的中点格式,其证明是保辛的。该格式不要求Birkhoff方程系数矩阵非奇异,因此适用于奇数维系统。两个不同数值算例的结果充分验证了本文方法的卓越性,也凸显了相对于传统算法在计算精确度和稳定性方面的明显优势。

空间折展结构热响应研究现状与展望

中国航天正面向世界科技前沿和国家重大战略需求飞速前进,航天事业已成为我国整体发展战略的重要组成部分。近年来,随着航天核心技术的逐渐提升和突破,高精度、大尺度和轻量化的新型空间折展结构逐渐得到广泛应用,然而,其柔性大、刚度小,尤其是受空间极端环境显著影响等问题也备受关注。例如,空间折展结构中的典型应用——空间可展开天线,该新型结构作为航天和国防领域传递与获取信息的核心装备,在轨服役期间受空间热交变环境影响,其形面精度和网面稳定性问题凸显,甚至干扰航天器及其附件在轨工作姿态,从而导致航天器失效。为满足应用需求,文中归纳总结了伸展臂、太阳翼及可展开天线等空间折展结构的热致变形和热致振动等热响应研究进展。基于研究现状,从热-结构耦合情况、非线性因素、新型结构组合、结构连接及热控措施优化等方面展望空间折展结构热响应研究发展趋势,为我国空间折展结构的优化设计和防护方案提供理论依据及应用参考。

火灾下铝合金艇体结构热力耦合响应研究

为了开展气垫船的铝合金艇体结构在火灾高温作用场下的甲板结构热力耦合响应研究,基于大涡模拟方法FDS(Fire Dynamic Solution)构建艇体火灾场景模型,获取热释放功率不同的油池火灾下的高温作用场特性,获得结构表面的单位热通量数据并通过自编温度载荷映射程序并采用顺序热力耦合计算方法开展火灾场景下铝合金结构热力耦合响应的研究,分析火灾下艇体的甲板结构的失效模式与舱段的极限承载能力变化,为后续船体的铝合金结构轻量化设计与抗火设计方案提供技术依据。

螺栓连接结构冲击载荷传递特性及冲击响应行为研究进展综述

目的通过探讨复杂装备结构中螺栓连接结构在冲击载荷条件下的力学响应特征,以及这些特征如何影响装备结构的应力波传播、能量耗散和整体结构响应;同时,关注螺栓自身的变形和破坏对关键部件乃至整个系统稳定性和安全性的潜在影响,特别是在武器装备中可能引发的灾难性后果,旨在进一步优化螺栓连接结构的设计,提高其在极端载荷条件下的性能和可靠性。方法系统调研国内外文献,总结螺栓连接结构冲击载荷传递特性及冲击响应行为的研究进展,涉及的研究方法包括试验研究、有限元模拟和理论分析等。结论螺栓连接结构的冲击响应行为对装备整体的稳定性和安全性具有重要影响。通过对现有文献的分析,提出了未来研究的建议。

封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究

TNT在封闭空间内爆炸会发生燃烧反应并释放大量的能量,这些附加能量会对内爆载荷起到增强作用,为分析封闭空间内爆炸载荷作用下的结构动态响应。开展封闭空间爆炸试验,通过试验数据对称性验证,说明试验中压力测试结果准确可靠;然后开展数值计算研究,并探讨板厚、屈服应力和边界约束3个因素对靶板结构动态响应的影响。数值计算与试验结果的准静态压力吻合较好,靶板中心点初始峰值位移和最终位移的误差均小于5%,验证数值计算方法的可靠性;靶板中心点初始峰值位移和最终位移增大比例与板厚减小比例相当;靶板中心点初始峰值位移减小比例约为屈服应力增大比例的0.2倍,而最终位移的减小比例约为屈服应力增大比例的0.4倍。所采用的数值计算方法能够很好地模拟结构在封闭空间爆炸载荷作用下的响应,可为舰船抗爆结构设计提供一定参考。

一种轴径双向分离式电磁线圈驱动装置的结构响应特性

为了避免传统一体化驱动结构在运行过程中容易出现骨架断裂失效等不稳定现象.本文根据典型一体化驱动结构在运行过程中的应力应变,结合加速实验后出现内壁裂痕的一体化驱动结构的耐压放电测试,分析确定一体化驱动结构存在的不稳定因素,初步设计了一种轴径双向分离式模块化的新型驱动结构,对新结构在运行过程中的电磁及结构响应等展开有限元仿真分析.在相同激励条件下,新型驱动结构内壁上的应力应变远小于一体化结构,同时一体化驱动结构的内壁上的最大形变约为10-2m量级,而新型驱动结构在运行过程中内壁上的最大形变降低至10^(-5)—10^(-6)m量级.结果表明新结构能够在保证推进性能的前提下,降低内壁和相间隔板的应力应变及变形程度,提高了结构的可靠性,能够为电磁线圈驱动结构的设计优化提供一定参考和借鉴.

不同水下爆炸参数下双层加筋圆柱壳结构响应研究

本文采用声固耦合方法模拟水下中远场爆炸产生的冲击波载荷和气泡脉动对双层加筋圆柱壳的冲击响应。从不同工况水下爆炸载荷下的鞭状运动和关键部位冲击响应2个方面,研究了药量、爆距、水深、爆炸方位等参数对双层加筋圆柱壳结构响应的影响。研究表明,在中远场水下爆炸作用下,双层加筋圆柱壳在不同药量和爆距下鞭状运动的位移响应幅值和冲击环境谱加速度幅值变化较大,但其鞭状运动的位移响应曲线的周期变化不大。双层加筋圆柱壳在不同水深下,鞭状运动受到水下载荷周期性影响显著,但谱加速度幅值变化不大。双层加筋圆柱壳在不同爆炸方位下鞭状运动变化和冲击环境谱加速度分布受其影响显著。这项研究旨在为水下中远场爆炸作用下,水下航行体结构的抗冲击特性研究提供数据及理论支撑。

某过断层深埋高水头TBM输水隧洞围岩-支护结构响应规律

为了研究过断层深埋高水头敞开式TBM输水隧洞支护结构的响应规律,对不同支护方案下某过断层深埋高水头敞开式TBM隧洞围岩与支护结构的响应规律进行对比分析,选出最合适的支护设计方案。建立TBM隧洞动态开挖-支护精细仿真模型,逐个研究动态开挖-支护中围岩、锚杆、钢拱架、初喷混凝土、二衬的响应规律。结果表明:依次支护管棚、锚杆、钢拱架、固结灌浆、衬砌后,围岩拱顶变形分别降为不支护时的59.4%、32.9%、32.9%、4.1%、3.2%。盾尾离开后各响应突增,增幅逐步减缓且最终趋于稳定,衬砌支护后突降并稳定。锚杆应力分布不均,支护后拱腰处锚杆应力比拱顶增加快,各锚杆应力越靠近洞壁处越大。管棚+锚杆+钢拱架+固结灌浆+初喷+二衬可保证安全,但需固结围岩弹性模量、黏聚力及内摩擦角分别提高1.0、1.0、0.21倍。

基于改进卷积神经网络的闸门结构响应数据修补方法

针对结构健康监测过程中数据缺失影响结构安全运行的问题,提出了一种基于改进卷积神经网络的数据补全方法,通过利用矩阵补全的方法实现了多通道数据的同时修补。首先将缺失信号经过傅里叶变换得到基础矩阵,并利用矩阵分解出的实部和虚部作为训练的输入,与L1-CNN神经网络作内积。采用基系数作为卷积运算的基础,并经过原始信号与修补信号进行对比更新,在更新卷积核同时应用L1正则化,得到修补后的信号。最后,以溢洪道水工闸门结构的加速度传感器信号为例进行数据修补,验证所提方法合理性,结果表明所提数据补全方法能够修复缺失率为30%以内的信号且不失真;修复缺失率为40%的信号,发现部分区域呈现失真状态。与其他方法对比分析表明,使用该方法补全的数据与原始数据具有最高拟合度,预测趋势接近完整数据。

武汉某超高层建筑对台湾花莲6.9级地震的结构响应分析

为研究2022年台湾花莲6.9级地震对武汉市某超高层建筑结构的影响,初步分析了该建筑结构4个加速度测点记录的各向PGA放大效应、傅立叶谱及反应谱,分别利用互功率谱法和基于协方差的随机子空间法分别识别结构在频域和时域上的一阶模态。结果表明:结构的峰值加速度随楼层的增高而有显著的放大效应,最大放大倍数达7.322倍;各向傅立叶谱峰值均集中在0.275 Hz和1.171 Hz;加速度响应反应谱远小于该地区Ⅵ度设防地震设计谱;两种方法识别的结构一阶模态频率基本一致,均接近数值分析值。台湾花莲6.9级地震没有对该高层建筑结构造成损伤。

软黏土矩形顶管土压力分布与结构响应分析

矩形及类矩形顶管越来越多应用于城市地下空间结构建设,其结构水土荷载分布特征及结构响应对工程稳定性、安全性尤为重要,然而相关研究较少。在回顾现有顶管土压力计算方法的基础上,通过有限元模拟研究了饱和软黏土矩形顶管顶部竖向土压力分布和侧向衬砌变形模式,提出了包含非均值分布竖向土压力和水平地层抗力的矩形顶管荷载模式,通过与地层-结构整体有限元模拟对比,对上述方法进行了验证。主要结论为:(1)顶管顶部土压力为非均值分布,呈现跨中压力小,两侧压力大的梯形分布模式,顶部土压力平均值与全覆土土压力相近;(2)竖向土压力分布非均值程度随着截面尺寸增加、结构埋深增加、高宽比减少而增加,高宽比影响最为显著;(3)截面高宽比可影响顶管结构侧向变形模式,扁平顶管侧向向外变形挤压土体,诱发水平地层抗力;(4)竖向土压力非均值分布及水平地层抗力对合理计算软黏土矩形顶管顶部及两腰处弯矩具有重要作用。

未知激励下基于改进强跟踪卡尔曼滤波的结构响应重构

提出一种基于改进强跟踪卡尔曼滤波的结构外部激励计算和响应重构的方法。首先,利用状态空间模型得出结构的外部激励,并将激励与模态坐标结合组成新的状态向量,构建增秩状态空间模型。然后,在传统强跟踪卡尔曼滤波算法的基础上进行改进,使其能够处理有色噪声。最后,利用结构部分测点的加速度响应,实现对结构外部激励的计算及其余未测点的速度、加速度响应的重构,分别通过二维桁架和外伸梁进行数值模拟和试验分析,用来验证所提方法的有效性。结果表明,该方法能够有效地重构结构外部激励、未测点的速度和加速度响应,其响应时程曲线与计算响应或测量响应时程曲线吻合良好。

响应耦合子结构法的轴类工件频响函数预测

轴类工件切屑过程中,容易产生颤振影响加工稳定性,快速计算工件频响函数,便能为防止颤振提供依据。由于车削加工工件频繁更换,针对以往测量工件频响函数往往采用锤击法需要重复测量等问题,提出一种改进的子结构划分方法。该方法将主轴-卡盘-工件系统划分为主轴-卡盘-夹持部分、工件悬伸部分,使用子结构响应耦合法(RCSA)、有限差分法、Timoshenko梁模型求取轴类工件任意截面频响函数,并利用该方法探究了尾座对工件频响函数的影响。此划分方法避免了结合面的参数辨识,能够快速方便预测工件任意截面频响函数,与仿真所得频响函数进行对比,预测结果与仿真结果对比误差在5.38%以内,验证了该预测模型的有效性。

水下爆炸作用下悬浮隧道管体形状对结构响应的影响规律

为研究水下爆炸条件下断面形式对悬浮隧道结构响应和抗冲击性能的影响,采用LS-DYNA有限元软件建立圆形、椭圆形和长方形3种断面悬浮隧道的数值计算模型,进行动力响应数值模拟分析。对比分析3种断面悬浮隧道在爆炸作用下管体位移、压力及有效应力的响应特性。结果表明:1)圆形断面悬浮隧道受爆炸影响的范围最小,位移、压力和有效应力峰值最低,安全系数最高,抗冲击波性能最优;2)椭圆形和长方形断面管体更易发生局部应力集中,尤其长方形断面的压力和有效应力峰值都高于圆形和椭圆形断面,抗冲击性能较差;3)椭圆形断面悬浮隧道的竖向位移要大于长方形断面,但长方形断面位移变形存在明显畸变。综合分析表明,圆形断面悬浮隧道的抗爆性能优于椭圆形和长方形断面。

穿越不良地质带隧道结构响应规律模型实验平台设计

为研究隧道穿越不良地质带的结构响应特性,以福宜高速公路阳宗隧道工程为依托,设计了穿越不良地质带隧道结构响应规律模型实验平台,实现了几种不同类型不良地质带工况下隧道工程缩尺模拟实验。基于该平台,详细介绍了所有系统的结构及功能,针对4种不良地质带工况制定了相应实验方案,并以断层破碎带作为典型不良地质案例,演示了模型实验全过程,分析了隧道穿越断层破碎带区域的结构响应规律,最后将实验结果与数值模拟结果进行对比,验证了模型实验的有效性。

基于BP人工神经网络的简支梁桥结构振动响应预测

针对有限元模型存在工作量大、计算耗时、无法实现结构响应的快速预测等问题,提出了基于BP神经网络算法的简支梁桥结构应力与位移预测模型。以某简支梁桥为工程背景,通过Midas/Civil有限元软件建立三维杆系有限元模型,并在考虑参数不确定性的基础上使用有限元模型得到完善的训练与测试样本数据集,建立了基于人工神经网络的桥梁结构响应预测模型。研究结果表明,构建的人工神经网络预测模型可在满足预测精度的基础上实现结构响应的快速预测,荷载试验实测值与模型预测值的最大误差在12.46%以内,且拟合优度均在0.9以上。该预测模型后期可与桥梁健康监测系统相结合,实现简支梁桥结构响应的实时分析,可应用于简支梁的结构响应评估工作。

突发公共卫生事件下城市群网络结构韧性动态响应分析——以上海2022年新冠疫情为例

城市网络结构韧性是灾情下的研究热点之一。文章以2022年上海新冠疫情为研究案例,发现疫情冲击下的长三角人流、信息流、复合流网络的结构韧性表现为先增强再减弱的动态响应态势,差异在于:人流网络韧性增强依靠疫情期间局部地区“城市小团体”的稳定,韧性减弱则是随着政策放开,核心、边缘城市间的联系逐渐恢复,使得区域处于不稳定状态;信息网络因为虚拟空间关注度增强导致整体网络联系的增强,韧性减弱则是热度下降后网络联系趋于常态化;复合网络受到叠加作用,整体波动较小且恢复速度较快,在复工阶段已经基本恢复。基于以上结论,本研究对城市网络应对突发卫生事件时的稳定与优化提出针对性建议。