不确定性系统随机动载荷识别及试验验证

论文摘要

工程结构所受载荷信息对结构的设计和安全评估意义重大。很多情况下,结构所受外部载荷无法通过测量直接获得,此时需要通过间接识别的方法。因此,动载荷识别技术受到研究者们的关注。传统的动载荷识别方法通常不考虑外激励、动力学系统以及动响应中的不确定性因素,属于确定性动载荷识别方法。该类方法无法考虑工程结构系统的“不确定”因素,也不适合用于工程结构上的随机动载荷识别。因此,需要发展一种考虑结构系统“不确定性”的随机动载荷识别方法。本文对含不确定性参数结构上的随机动载荷识别算法开展研究,具体工作如下:首先,针对不确定性动力学系统,提出一种基于谱随机有限元模型的随机动载荷识别改进算法。假设系统随机参数已知,且系统随机参数和随机动载荷均服从高斯分布,利用K-L展开和混沌多项式展开分别表示系统随机参数和随机响应,建立随机系统的动力学方程;依据仅由随机动载荷引起的系统随机响应协方差和仅有系统随机参数引起的系统随机响应协方差之间的关系式,由随机动响应样本识别随机动载荷的统计特性。针对一悬臂梁结构开展数值仿真研究和试验验证。结果表明:所提出的基于谱随机有限元模型的随机性载荷识别改进算法比现有的识别算法在方差识别精度上有了较大幅度的提高,该方法在不确定性系统随机水平较高时仍具有较好的识别精度。然后,针对不确定性动力学系统,提出一种基于摄动随机有限元模型的随机动载荷识别方法,假设随机载荷及系统随机参数均服从高斯分布,使用随机格林函数建立随机激励与随机动响应之间的关系式,使用摄动展开表示系统随机格林函数,并利用混沌多项式替换摄动展开中的泰勒多项式,使用K-L展开和混沌多项式展开表示系统所受随机动载荷和随机位移响应,利用混沌多项式的正交性,将不确定性系统上的随机动载荷识别问题等效转化为确定性系统上的随机动载荷识别问题。针对一平面桁架结构开展数值仿真分析,基于测点响应样本的随机动载荷识别方法验证;针对一承受集中随机动载荷的悬臂梁开展数值仿真分析和实验验证,通过随机动响应样本识别得到随机动载荷的统计特征。数值仿真及试验表明:所提出的随机动载荷识别算法在系统随机水平较高时仍具有良好的精度;当忽略系统参数之间的相关性时,随机动载荷的识别结果会出现较大误差。并且针对不确定性系统参数的相关长度开展研究,验证所提出的随机动载荷识别算法的有效性和精度。最后,针对目前随机动载荷识别方法的研究,特别考虑系统不确定性方面的研究,大多局限于梁或桁架等简单结构的问题,基于摄动随机有限元的随机动载荷识别算法结合商用软件Abaqus及Matlab进行二次开发,将考虑不确定性的随机动载荷识别算法成功应用于复杂工程结构。以一卫星结构为例,开展数值仿真研究,结果表明,所提出的二次开发算法可以较为精确的识别得到复杂结构上所作用的随机动载荷的统计特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 确定性动载荷识别方法
•     1.2.2 随机动载荷识别方法
•   1.3 本文研究内容
• 第2章 基于谱随机有限元模型的随机动载荷识别
•   2.1 引言
•   2.2 谱随机有限元方法
•     2.2.1 K-L展开
•     2.2.2 混沌多项式展开
•     2.2.3 谱随机有限元模型
•   2.3 随机动载荷识别理论
•     2.3.1 识别算法
•     2.3.2 识别步骤
•   2.4 算例仿真
•     2.4.1 悬臂梁模型
•     2.4.2 识别方法验证
•     2.4.3 参数分析
•   2.5 试验验证
•     2.5.1 基于模态试验的梁结构参数识别
•     2.5.2 随机系统模型验证
•     2.5.3 随机动载荷识别
•   2.6 本章小结
• 第3章 基于摄动随机有限元模型的随机动载荷识别
•   3.1 引言
•   3.2 不确定性动力学系统建模
•     3.2.1 不确定性动力学系统格林函数
•     3.2.2 摄动随机有限元方法
•   3.3 基于摄动随机有限元的随机动载荷识别
•     3.3.1 识别算法
•     3.3.2 识别步骤
•     3.3.3 正则化方法
•   3.4 算例仿真
•     3.4.1 不考虑相关性:桁架模型
•     3.4.2 考虑相关性:悬臂梁模型
•     3.4.3 随机动载荷识别结果
•     3.4.4 参数分析
•   3.5 试验验证
•     3.5.1 结构随机动力学模型验证
•     3.5.2 随机动载荷识别方法验证
•   3.6 本章小结
• 第4章 不确定性结构上随机动载荷识别算法在复杂结构上的应用
•   4.1 引言
•   4.2 基于商业软件的二次开发与随机动载荷识别步骤
•   4.3 卫星结构有限元模型
•   4.4 考虑局部不确定性的摄动随机有限元模型建模
•   4.5 复杂结构上的应用
•     4.5.1 不确定性响应预示
•     4.5.2 随机动载荷识别
•   4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙燕伟

导师: 费庆国

关键词: 不确定性系统,随机动载荷识别,谱随机有限元,摄动随机有限元,展开,混沌多项式,格林函数,相关性,数值仿真,商用软件二次开发,试验验证

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,工业通用技术及设备,机械工业

单位: 东南大学

分类号: TH113;TB115

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003494

总页数: 75

文件大小: 2933K

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