连接局部迟滞非线性的时频域动力学降阶方法

针对连接结构时域和频域的非线性振动问题,提出一种基于局部非线性转化的动力学降阶方法。采用Newmark法和多谐波平衡法分别将时域和频域的非线性动力学方程转化为非线性代数方程组,将整体结构的非线性动力学响应降阶到仅与连接非线性相关的自由度上进行求解,通过减小迭代过程中Jacobian矩阵的维数来提高计算效率。采用Iwan模型描述连接界面的局部迟滞非线性,利用三自由度质量弹簧振子和连接梁结构研究非线性动力学分析方法的计算精度和效率。结果表明,本文建立的降阶方法预测的非线性动力学响应与现有的未降价方法吻合较好,提出的非线性动力学降阶方法能够有效地减少迭代过程的计算耗费,提高计算效率,时域方法约提高30%,频域方法提高近70倍。     

基于变长度单元ANCF的轴向伸展悬臂梁振动分析

伸展悬臂梁系统中含有刚体运动和大变形运动,属于时变刚柔耦合非线性动力学问题。采用Shabana提出的绝对节点坐标法(ANCF),建立了一种变长度的Euler-Bernoulli梁单元模型。从大变形条件下准确的曲率和Green-Lagrangian正应变出发,基于考虑惯性力的虚功原理,得到了轴向伸展悬臂梁的单元非线性动力学方程组,以及组装后的伸展悬臂梁系统的非线性动力学方程组。最后,通过算例分析了材料特性参数(弹性模量、密度)和伸展规律(匀速伸展、匀加速伸展)对伸展悬臂梁系统的末端非线性挠度响应的影响。     

基于仿真的三级供应链成本优化

针对供应链这种非线性和复杂系统,为了优化供应链的总成本,提高供应链的整体竞争力,提出了一种基于仿真的优化方法。首先建立了一个三级协作供应链的系统动力学模型,供应链上的企业需要求解多个决策变量来降低供应链总成本。然后详细展示了将系统动力学模型转换为Matlab程序模型的过程,并在两个模型中使用了多组随机参数进行对比验证。最后设计了适当的遗传算法进行求解。结果表明,这种基于仿真的优化方法不仅能反映出供应链系统的动态特征,而且求解速度快、精度高,能有效解决供应链系统中的单目标或多目标规划问题。系统动力学模型结构相对固定,也不适合异构的交互环境,该方法给系统动力学模型提供了良好的补充。转换为Matlab程序模型后,可以进行深入的仿真研究,灵活设置目标函数和约束条件,详细分析系统的动态变化过程,还能为其它应用提供交互接口。     

舰载机弹射起飞纵向过载研究

为了分析舰载机弹射起飞过程中飞机纵向过载问题,在建立了弹射预紧阶段静力模型、弹射滑跑阶段的动力学模型、自由滑跑阶段动力学模型、航母弹射器模型的基础上,提出了舰载机弹射起飞纵向过载动力学模型。以某型飞机和弹射器为例,搭建仿真框图进行仿真计算并给出了飞机纵向过载与冲程的曲线,通过对仿真结果的分析以及与试验数据的比较,能够为蒸汽弹射系统设计提供有价值的参考。     

基于伪谱法的自由漂浮柔性空间机器人姿态运动规划与反馈控制

研究自由漂浮柔性空间机器人的动力学建模与姿态控制问题。针对初始状态不确定性对系统姿态造成的影响,提出一种基于伪谱法的运动规划与反馈控制相结合的姿态控制策略。利用假设模态法近似描述柔性臂杆的弹性变形,并利用Lagrange方法建立空间机器人系统的动力学模型。在运动规划方法的设计中,利用Legendre伪谱法将空间机械臂非完整运动规划问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法求解此非线性规划问题得到系统的优化运动轨迹和最优控制输入。在反馈控制方法的设计中,将状态方程在已知的参考轨迹上线性化处理,利用Pontryagin极大值原理将对参考轨迹的跟踪问题转化为两点边值问题,再利用Legendre伪谱法离散此两点边值问题,将其转化为线性代数方程组进行求解,该过程无需任何积分计算,具有很好的实时性。通过数值仿真验证了姿态控制策略的有效性和鲁棒性。     

人车路耦合系统的非线性振动特性及试验研究

为了解决车辆行驶中产生的复杂非线性振动响应问题,建立三自由度人车路耦合非线性动力学模型。基于扭转几何变形非线性特征,利用拉格朗日方程推导出三自由度人车路耦合非线性振动方程,该方程中的正弦和余弦函数项来源于几何非线性扭转变形。针对自由振动,给出非线性恢复力曲面、势能曲面及固有频率解析表达式。针对强迫振动,运用数值仿真方法分析车辆质量、转动惯量、乘客质量、座椅刚度/阻尼、悬架刚度/阻尼、阻尼、质心位置、路面波长及波幅等系统参数对振幅速度响应曲线的影响。搭建人车路耦合振动系统的实验平台,通过振动实验结果验证理论分析与数值结果的可靠性。研究结果表明：该三自由度非线性动力学耦合系统可精确描述人车路耦合系统的响应特性,合理选择系统参数能够有效减小振动响应幅值和提升乘坐舒适性。     

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究间隙运动副对机构动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用的修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入到系统动力学模型中,进行了动力学仿真分析,研究了不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行了对比分析。结果表明：基于文中改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。     

《转子-轴承-密封系统非线性动力学理论和试验研究》

采用理论分析和试验研究相结合的方法,研究油膜力和密封力联合作用下转子轴承密封系统的非线性动力学特性和稳定性。将转子轴承密封试验台系统等效为Jeffcott系统,采用短轴承理论建立油膜力的非线性模型,采用Muszynska模型建立非线性的密封力。通过数值仿真研究在不同转子转速下密封力对系统非线性特性和稳定性的影响。将试验结果与理论计算进行比较,两者基本一致。     

柔性多体系统碰撞动力学研究

摘 要：针对工程中常见的柔性多体系统碰撞过程,详细的分析了柔性多体系统的接触碰撞条件,基于非线性等效弹簧阻尼模型建立了柔性体的碰撞模型,并基于库仑摩擦模型考虑两体碰撞时的切向摩擦作用。在此基础上把柔性体碰撞模型综合到柔性多体系统动力学方程中,建立了含接触碰撞的柔性多体系统动力学模型,此模型适用于一般含碰撞的多体系统。仿真算例以柔性梁在重力场中的接触碰撞过程为对象进行动力学仿真,研究柔性梁碰撞前、碰撞过程及碰撞后的动力学特性和动态响应,以及碰撞过程碰撞力的变化规律,并与刚性梁在重力场中的接触碰撞过程进行详细的比较和分析,结果表明基于非线性等效弹簧阻尼模型建立的柔性多体系统碰撞动力学模型可以有效的分析接触碰撞过程的动力学性能,验证了模型的有效性和正确性。     

非线性梁压电分阶最优减振控制

提出非线性的分阶最优控制方法,并将其应用于梁的非线性振动压电减振控制。建立梁压电减振系统动力学模型,导出减振系统的非线性动力学运动微分方程,利用摄动法,实现非线性微分方程的线性化。将各阶线性方程解耦,化为状态空间方程。设计非线性分阶控制器,对减振系统进行分阶最优控制。仿真算例验证这种控制方法的有效性。     

轻质泡沫混凝土的力学性能与唯象本构模型

在飞机越界工程材料阻滞系统(EMAS)中,阻滞材料的压缩力学性能极为重要。本文对一种新型阻滞材料——轻质泡沫混凝土在室温下应变率从0.001/s到0.1/s的压缩力学行为进行了系统研究。结果表明:在该应变率范围内此材料力学性能对应变率不敏感;但此材料的密度对其力学行为影响很大。通过对压溃平台应力、密实应变和密度等参量的分析,结合系统的试验结果,建立了该材料的压缩唯象本构模型,通过模型预测结果与试验结果比较,唯象本构模型与试验结果吻合较好。     

柔性框架结构动力非线性分析的刚体准则法

大跨、高层等柔性结构,其动力响应往往表现出大位移、大转动等非线性特征。动力非线性问题的分析关键在于运动方程的高效稳定求解,以及单元大转动产生的结点力增量的有效计算。动力时程分析通常采用直接积分法,但对于强非线性动力问题,直接积分法难以兼顾计算精度与稳定性。该文基于几何非线性分析的刚体准则,针对杆件结构大转动小应变的非线性问题,提出了一种新型空间杆系结构动力非线性分析的刚体准则法。该方法采用满足刚体准则的空间非线性梁单元,结合HHT-α法求解结构运动方程,并将刚体准则植入动力增量方程的迭代求解过程以计算结点力增量。通过典型柔性框架算例结果表明,该文方法可以有效分析柔性框架结构的强动力非线性行为。与高精度单元相比,该文采用的单元刚度矩阵构造简明,计算过程简洁;与商业软件所用方法相比,单元数和迭代步少,精度高,适于工程应用。     

Applications of a reduction method for reanalysis to nonlinear dynamic analysis of framed structures

 This paper is concerned with the nonlinear dynamic analysis of framed structures using a reduction method recently proposed by the authors. The reduction method is originally devised for structural static reanalysis and has been applied in optimal design of structures to speed up the design process. For nonlinear dynamic analysis of framed structures, the incremental or iterative equations of motion can be transformed into an algebraic system of equations if appropriate integration methods such as Newmark's method are used to integrate the equations of motion. The resulting algebraic system, referred to as the effective system in this paper, changes during the simulation for a nonlinear dynamic problem. Therefore, from the point of view of solving systems of equations, a nonlinear dynamic problem is very similar to an optimal design problem in that the system of equations changes for both types of problems. Hence, any reanalysis technique can be readily applied to carry out a nonlinear dynamic analysis of structures. As demonstrated from the presented numerical examples, the response obtained by the adopted reduction method is as accurate as that obtained by the Cholesky method, and as estimated from the operation counts involved in the method, it is more efficient than the Cholesky method when the half-band width is greater than about 50. Received 23 March 2000     

舰载飞机机体主传力结构拦阻冲击动力学试验与仿真分析

舰载飞机拦阻着舰过程中,在多系统相互耦合条件下复杂的拦阻动载荷通过拦阻钩作用于机体结构,对机体结构安全性提出挑战。研究此过程中拦阻动载荷在结构上的传播规律及主传力结构的动响应特性具有极为重要的意义。通过地面拦阻冲击模拟试验,对舰载飞机拦阻减速过程中机体主传力结构动响应进行分析研究,并基于刚柔耦合动力学模型对试验过程进行数值模拟仿真分析。研究得到了拦阻过载和应力应变在结构上的响应特征,获取了过载和应变峰值沿机体传力路径的分布规律,可以作为舰载飞机结构强度设计的重要参考依据。研究表明拦阻冲击过载峰值沿主传力路径顺航向,呈现出明显的衰减趋势。靠近拦阻钩接头结构过载峰值较高,但由于冲击时间短,应变响应较小,不会对机体结构造成损伤和破坏。拦阻载荷在机翼隔离框位置会产生应力集中效应,结构设计时应注意对相应结构作局部加强。     

斜拉索非线性振动信号粒子滤波分析与应用

针对斜拉索非线性振动信号采用粒子滤波（PF）算法进行信号处理与应用。采用有限差分法对索-梁耦合系统非线性动力学方程进行时间维度的离散化处理,获得斜拉索单个位置上振动离散非线性方程;采用最小二乘法对该离散非线性振动方程进行拟合获得粒子滤波所需系统状态方程;利用该状态方程对采集的非线性振动信号进行粒子滤波处理,获得优良的非线性去噪信号及信号稳定跟踪预测功能。经大量仿真实验与大桥斜拉索非线性振动信号实际测试,表明在采样频率足够大情况下, PF算法可有效去除斜拉索非线性振动信号噪声,并提供稳定可靠的信号跟踪与预测技术。     

基于贝叶斯理论的非线性结构模型修正及其动力可靠度分析EI北大核心CSCD

提出一种基于贝叶斯推理的非线性结构模型修正方法,同时考虑激励的随机性,建立了复合随机振动系统的动力可靠度分析方法。利用实测结构动力响应主分量的瞬时特征参数作为非线性指标构建似然函数,结合拒绝延缓自适应(Delayed Rejection and Adaptive Metropolis,DRAM)算法和高斯过程替代模型实现了非线性结构模型修正及其参数的不确定性量化。根据首次超越破坏准则,利用广义概率密度演化方法,分别对仅考虑激励随机性的确定性模型和同时考虑结构参数与激励不确定性的复合随机振动模型进行动力可靠度分析,并利用蒙特卡洛随机抽样方法验证了计算结果的准确性。研究结果表明:基于振动响应瞬时特征参数的贝叶斯推理方法能够快速、准确地实现结构的非线性模型修正及其参数的不确定性量化。与具有初始设计参数名义值的确定性模型相比,考虑参数不确定性的复合随机模型的动力可靠度总体偏低,因此,在结构安全评估中应考虑非线性模型参数不确定性的影响,使评估结果更加安全、可靠。     

包带连接建模与非线性动力学特性分析

在航天工程中,包带连接机构是应用最为广泛的星箭连接分离机构,其主要由两个半圆形钢带(包带)和若干V形截面的卡块组成。为研究包带连接的力学特性,首先分析了包带连接中各个部件之间的接触力以及接触力之间的关系。然后通过将接触力等效为有限单元节点载荷的方法,把包带连接加入到整体结构的有限元模型当中。对于包含包带连接的结构,其动力学方程为非线性微分方程,方程的求解采用了Newm ark直接积分法。最后,采用所提出的建模方法对一个标准接口的包带连接进行了计算,分析了包带连接的非线性动力学特性以及预紧力的影响。     

基于梯度塑性理论的动力软化问题分析

对于动力应变软化问题,采用梯度塑性模型进行分析,该模型能够有效地克服软化材料在有限元分析中的网格依赖性问题。对于动力非线性软化方程的求解则利用于基于参变量变分原理的参数二次规划方法。对于结构动力方程时域上的求解则采用传统的Newmark方法。本文的算法与传统方法相比在求解基于梯度塑性模型的非线性动力软化问题时保证了已有参数二次规划算法的优良特性,有实现简单与稳定性好等优点。给出的数值算例证实了本文的理论工作与所研制程序的正确性。     

A New Method for Siting Hazardous Units in Chemical Process Facilities Which Minimizes Risk at Least Cost: RIDIMPUS

A new method, RIsk and DIstance Minimization in Process Units Siting (RIDIMPUS), is presented with which hazardous units can be sited in a chemical process facility in a manner that the risk of accidents involving the hazardous units as also the cost of spacing the units is minimized. To achieve this, safety and cost factors were modeled using various governing parameters and then expressions were designed to integrate the safety and the economic concerns to form model equations, inequalities and disjunctions. The resulting nonlinear programming model is solvable by using algorithms and solvers on any common desktop computer, thereby providing an optimal and prompt solution.     

AA5052板材准静态/动态平面应变成形极限试验研究

为建立磁脉冲辅助冲压成形(EMAS)工艺的有效性,采用准静态平面应变预拉伸和动态磁脉冲成形相结合的方法对5052-O铝合金板材的准静态/动态平面应变状态复合成形极限进行了试验研究.结果表明:准静态/动态复合加载过程能显著改善该铝合金板材的室温成形性;准静态/动态平面应变复合成形极限比准静态平面应变成形极限有显著提高,相似或者略高于完全磁脉冲平面应变成形性,且随着准静态预应变水平的增加,准静态/动态复合变形成形极限变化不大.预变形的存在不会削弱复合成形过程的极限变形能力.