主自由度对子结构静力凝聚模态分析的误差影响研究

阐述了子结构静力凝聚的基本原理,从理论上分析了静力凝聚模态分析中误差产生的原因,并利用非线性矩阵摄动理论推导了模态频率误差公式。利用平板结构进行了多种主自由度选择方案的仿真对比分析,研究了主自由度数量和分布对计算误差的影响规律。研究结果表明,主自由度定义方式是子结构静力凝聚模态分析中计算误差的最大影响因素,主要包括主自由度分布和数量两个方面,其中对主自由度分布更敏感,这和理论分析的结论一致。

静力凝聚法解叠层厚板的自由振动问题

文章提出一种改进的叠层板理论 ,并针对两种特殊的叠层和相应的边界条件 ,给出了叠层复合材料厚板的解析解。该文还应用静力凝聚法 ,凝聚掉平面内位移和转角自由度 ,这样 ,求解特征值问题的工作量将大大减少。算例表明 。

静力凝聚技术对输电铁塔整体模态的影响研究

输电塔体系是典型的高柔体系,其整体动力响应与破坏主要由低阶模态控制。如果恰当地判定并忽略某些次要动力自由度而不显著改变输电塔体系的整体低阶模态,就可在保证整体精度和安全性的前提下,大大提高输电塔体系动力响应分析的计算效率。应用静力凝聚技术,对用ANSYS软件建立的输电铁塔原始有限元模型的次要动力自由度进行减缩,得到相应的简化模型。利用ANSYS软件和MATLAB语言编程,对简化前后输电铁塔结构模型分别进行了模态分析和数字地震响应分析。结果表明,采用静力凝聚技术对输电铁塔的原始有限元模型的次要动力自由度进行减缩得到的简化模型是有效的,可用于输电铁塔的动力分析。简化前后输电铁塔模型的前3阶整体模态和顶点位移响应峰值均具有良好的一致性。

静力凝聚在时域法损伤识别中的应用

传统的时域法损伤识别方法大多要求节点响应信息完备,且计算量大,容易形成病态方程组;而利用静力凝聚原理,结合有限元方法,可以不考虑节点转角信息,通过简单的刚度矩阵修正,把问题的求解规模极大降低,同样达到损伤识别的目的。

一种高精度几何非线性递推凝聚梁单元

为了提高经典的2节点平面Bernoulli-Euler梁单元在梁杆结构稳定性分析中的计算精度,建立了一种递推凝聚梁单元.将1个杆件当作1个逐级派生的子结构,自顶向下逐级派生,使用静力凝聚方法,消除内部自由度,建立了几何非线性刚度矩阵的递推格式,自底向上逐级递推凝聚.通过递推凝聚得到了一种高精度梁单元,它与经典的2节点梁单元具有相同的自由度数量及分布.推荐进行2次递推,将得到和1个杆件划分为4个经典的2节点梁单元相同的计算精度.对梁杆结构稳定性分析中的几个典型算例进行了分析,1个杆件使用1个单元就可以得到相当准确的临界力.从理论上来说,随着递推次数的增加,其计算精度可以无限逼近精确解.

基于静力响应的桥梁结构损伤识别

提出了一种基于静力响应量测的桥梁结构损伤识别方法。在该方法中,通过获得结构损伤前后的结构的静力响应数据,利用结构静力凝聚方法对模型进行缩阶处理,使缩阶后的理论模型的自由度与实测自由度一致。当建立了包含着损伤指数的控制方程以后,利用该方法即可得到结构损伤指数。通过数值算例证实了基于静力响应的桥梁结构损伤识别方法能对结构体系损伤进行有效识别,数值模拟结果显示文中方法具有数值结果稳定和识别精度高的优点。

空间桁架结构的静力模型修正方法

近十几年来,国内外建设了大量的空间桁架结构,为了保障结构在长期运营过程中的安全性,需要对结构模型进行安全评估和修正。文中提出了基于静力位移的空间桁架结构的静力修正方法,用静力凝聚方法对静力平衡方程进行变换消去平面外自由度。将杆件单元的刚度的修正量用修正因子表示,并利用摄动理论求解各单元修正因子。最后,将修正因子代回原静力方程求解结构的节点位移,通过对比理论计算位移与修正后位移以验证该文修正方法的正确性。

基于静力数据下RBF神经网络梁式模型修正

基于有限元软件ABAQUS建立的梁式结构模型,并在实验室浇筑对应的实体简支梁模型。利用MATLAB神经网络工具箱构建RBF神经网络,提出一种基于静力测试数据下的径向基神经网络模型修正方法。将均匀分布的7个测点挠度作为输入向量,以对应的弹性模量、惯性矩等设计参数修正值作为输出向量,利用均匀样方设计构建神经网络样本设计表,最后利用神经网络良好的泛化能力逼近两者之间的非线性映射关系来预测修正值并与BP神经网络的修正结果进行对比。实验数据表明了修正算法的有效性。

基于实测静力数据的模型修正方法

以桁架结构为对象,在不考虑测量误差影响下,研究了确定性模型的静力修正方法。在静力凝聚法的基础上,通过一阶摄动展开建立了关于修正因子的控制方程。通过对每个节点计算位移和实际测量位移的对比,说明了确定性模型的静力修正方法的有效性。

激励与转角信息未知条件下桥梁结构物理参数识别

桥梁结构物理参数识别往往需要完整的结构响应和已知的外加激励信息,这在实践中通常难以实现。为实现转角信息与外加激励数值均未知情况下的桥梁结构物理参数在线识别,先采用静力凝聚方法消去转动自由度,据此将扩展卡尔曼滤波方法与最小二乘方法结合,提出一种改进的扩展卡尔曼滤波方法。其中,针对静力凝聚后观测方程呈现高度非线性,导致卡尔曼量测矩阵计算低效的问题,引入基于克朗尼克积的分解算法。以一座简支梁桥为例,在移动荷载下进行了仿真测试。结果表明,所提方法能够准确地识别结构物理参数和外加激励,且克朗尼克积引入后,识别精度与程序运行速度均有显著提升。

基于多重多级动力子结构的瞬态分析方法

提出利用多重多级子结构技术与Newmark算法求解结构动力学方程的高精度算法。该算法利用静凝聚技术列式简单,在凝聚过程中并不引入任何近似的优点,采用子结构周游树技术,分别对每个子结构求解New-mark等效平衡方程,最后通过回代求解得到整体结构的响应。由于该算法考虑了子结构内部自由度对整体求解的贡献,算法实施不受子结构划分方式的限制,因此可以得到系统高阶模态对响应分析的影响。该算法计算精度与传统的全结构求解相当,计算效率高,消耗计算机资源少,且可构造为统一的多重多级子结构综合分析算法框架。数值算例验证了该算法的正确性和有效性。

求解复杂结构系统动态响应的一种方法

提出求解复杂结构系统动响应的一种计算方法。推导了子结构动响应的计算公式 ,利用静凝聚技术将每个子结构的内部坐标凝聚到界面坐标上 ,根据界面协调条件 ,求出界面的物理量 ,然后回代到各个子结构计算其内部的动响应。通过这样的方法进行综合分析 ,便于解复杂结构系统的动响应问题。

柔性连接装置约束下的相邻浮体频域响应分析（英文）

许多海上工程作业会涉及两个或多个浮体相邻作业,如海洋平台组块双船浮托安装等。在波浪作用下,相邻多浮体会发生水动力干扰现象,在特定条件下引起强烈的间隙共振,产生的巨大波浪力会对浮体造成破坏。相邻多浮体之间往往会存在柔性连接,需要考虑多浮体水动力干扰及柔性连接构件的约束力对浮体运动响应的耦合作用,以及约束力本身对刚性或柔性连接构件的影响。因此,需要建立多浮体耦合的水动力—结构动力模型研究相互连接的海上浮式结构在复杂环境载荷下的动力响应。文中以双船浮托安装作业为背景,开发了耦合的水动力—结构动力模型分析平台组块在双船拖运过程中的复杂动力响应。通过结合动态子结构法和静凝聚法,考虑连接构件的柔度,将连接构件的质量和刚度凝聚到构件与双船的连接点处。结合多浮体频域水动力分析,研究了双船在柔性构件约束下和复杂水动力干扰共同作用下的运动响应。

基于静动力凝聚及扩展卡尔曼滤波的连续梁桥损伤识别

以卡尔曼滤波算法为代表的物理参数识别方法在结构损伤识别方面得到广泛应用,但限于状态方程的复杂性,大部分应用集中在具有平动自由度的剪切型建筑结构模型,且一般需要较完备的激励和响应信息。利用静力凝聚方法消去转动自由度以建立力学模型,并提出考虑Rayleigh阻尼的动力凝聚方法,实现了较复杂连续梁桥有限元模型的等效简化。针对桥梁检测及健康监测需求,提出了利用锤击产生自由振动的激励方式进行连续梁桥扩展卡尔曼滤波在线损伤识别方法,从而克服了传统方法需要复杂激励信号的不足。以一座三跨连续梁桥为例进行了仿真分析,识别出了不同位置的刚度和阻尼物理参数,参数识别结果具有较高精度和抗噪性,收敛速度快,证明该方法有效可行。

古建筑木结构榫卯节点刚度的地震损伤分析和识别

在缩尺比为1∶3.52的殿堂式古建筑木结构振动台试验基础上,获得了地震作用下榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤规律。根据建立的古建筑木结构简化力学模型,利用静动力凝聚方法确立了结构刚度与榫卯节点刚度之间的关系,推导了结构状态方程和观测方程。结合力锤敲击试验和仿真计算,获得了结构位移、速度和加速度响应。考虑噪信比5%噪声干扰,采用奇异值分解的偏最小二乘法(PLS-SVD)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)对结构刚度损伤进行了识别。根据结构刚度识别结果,计算了榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤识别值。结果表明:榫卯节点初始刚度损伤先增大后减小,屈服刚度损伤一直增加;静动力凝聚、偏最小二乘和扩展卡尔曼滤波的混合算法对榫卯节点初始和屈服刚度识别精度较高,适用性较好。

基于刚度退化和纤维单元的RC构件损伤模型

为了评估钢筋混凝土(RC)构件的损伤状态,在Maltab中建立了基于刚度退化和纤维梁柱单元的损伤模型.首先在OpenSees中建立基于纤维梁柱单元的构件、结构数值分析模型,将分析模型所得到的纤维应力、应变值导入在Matlab中所建立的损伤模型,并计算纤维、截面、构件的损伤值.所建立的损伤模型使用再加载刚度退化定义混凝土纤维的损伤,使用低周疲劳准则定义钢筋纤维的损伤,使用塑性应变定义预应力筋的损伤,并分别使用截面抗弯刚度退化、杆端抗弯刚度退化评估截面、构件的损伤.最后,选取循环荷载作用下的一榀预应力混凝土框架结构试验,对所建立损伤模型的适用性进行验证.结果表明:该损伤模型不仅可以准确地预测构件的损伤状态,而且可通过刚度组装和静力凝聚方法在各层次损伤指数间建立紧密的联系.此外,所建立的损伤模型将来可被嵌入OpenSees,直接实现针对混凝土构件和结构的损伤评估.

梁杆结构二阶效应分析的一种新型梁单元

推导了一种计及梁杆二阶效应的新型两结点梁单元。首先依据插值理论构造了三结点Euler-Bernoulli梁单元的位移场:使用五次Hermite插值函数建立梁单元的侧向位移场,二次Lagrange插值函数建立梁单元的轴向位移场,进而由非线性有限元理论推导了单元的线性刚度矩阵和几何刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除三结点梁单元中间结点的自由度,从而得到一种考虑轴力效应的新型两结点梁单元。实例分析表明,此新型梁单元具有很高的计算精度,使用此单元进行梁杆结构分析可获得相当准确的二阶位移和内力。

基于广义逆理论的转角信息重构近似算法

针对结构识别中转角信息难以测量的问题,完善了一种基于广义逆理论的转角信息重构问题近似算法.该算法从静力凝聚的基本方程出发,求解广义逆矩阵,由结构的位移测量信息计算结构的转角信息.通过理论分析给出了广义逆理论近似算法的适用条件和广义逆解答是精确解答的条件.数值算例表明:该近似算法的范数误差一般较小,而绝对量较小的分量误差较大.

基于静力凝聚的高精度变截面梁单元及其几何非线性分析研究

基于Euler-Bernoulli梁单元基本假定,通过静力凝聚获得截面特性沿单元轴向连续变化的变截面梁单元高精度刚度矩阵,并提出一种基于随动坐标法求解变截面梁杆结构大位移、大转动、小应变问题的新思路。首先依据插值理论和非线性有限元理论推导出三节点变截面梁单元的切线刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除中间节点自由度,从而得到一种新型非线性两节点变截面梁单元。结合随动坐标法,在变形后位形上建立随动坐标系,得到变截面梁单元的大位移全量平衡方程。实例计算表明,该新型变截面梁单元具有较高的计算精度,可应用于变截面梁杆系统大位移几何非线性分析。

弹性力学中的一种非协调数值流形方法

通过引入数学和物理双重网格,将插值域与积分域分别定义在不同的覆盖上,即在数学网格上进行插值函数的构造,物理网格上完成系统能量泛函积分运算,最后通过覆盖权函数将二者联结在一起．它的优点是单元网格划分随意,不受复杂边界形状和二相材料界面的限制,单元可以是任意形状,是较之于有限元方法更一般的数值模拟方法．在4节点四边形数值流形方法中,由于单元总体位移函数包含的完全多项式不完全,使得计算精度不够精确,为此,在单元总体位移函数上附加非协调位移基本项,使之趋于完全,提出了弹性力学问题的一种改进的数值流形方法——非协调数值流形方法．通过内部自由度静力凝聚处理,导出了消除内参后的单元应变矩阵和单元刚度矩阵,使得在不增加广义节点自由度的前提下,大大提高了数值流形方法的计算精度和计算效率．同时对非协调项进行了显式处理,可以对工程实践起到更切实的帮助．数值试验表明,它们能够保证收敛,有较高的精度,对畸变不敏感,从而证明了该方法的可行性．