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基于结构模态动力自由度缩减的抗震混合试验方法研究

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基于结构模态动力自由度缩减的抗震混合试验方法研究

作者：王龙超苏州科技大学

学位级别：硕士

结构抗震混合试验方法是研究结构抗震性能的最经济合理的研究手段。为了研究大型复杂结构在地震作用下的抗震性能,提高结构动力分析的效率,合理缩减结构的动力自由度,在抗震混合试验方法中引入模态综合法,形成基于子结构模态的动力自由... 详细信息

结构抗震混合试验方法是研究结构抗震性能的最经济合理的研究手段。为了研究大型复杂结构在地震作用下的抗震性能,提高结构动力分析的效率,合理缩减结构的动力自由度,在抗震混合试验方法中引入模态综合法,形成基于子结构模态的动力自由度缩减综合法。根据高层框架结构动力特性,建立高层框架结构自由度缩减混合试验系统。本文主要内容如下:（1）综述了抗震混合试验方法和模态综合法的研究现状,总结了两种方法有待进一步研究的突破方向。对当下大型复杂结构自由度缩减所面临的难题进行探讨,并结合抗震混合试验方法提出解决途径。（2）概述了模态综合法和自由度缩减方法的基本原理;根据高层、超高层框架结构自由度缩减的需要,提出了基于子结构模态的动力自由度缩减综合法。利用动静自由度等效分离法,将整体结构的自由度进行等效分离,保留了结构静力恢复力信息的复杂程度,并通过子结构模态分析、子结构质量凝聚合理缩减结构的动力自由度,形成动力简化模型,求解运动方程。（3）选取某理想的典型钢框架结构为验证模型,利用ABAQUS软件进行结构的模态分析,研究所提出的基于子结构模态的动力自由度缩减综合法的有效性;通过与整体结构模态分析结果进行对比,校核动力简化模型的动力特性,对自由度缩减方法的可行性进行验证。（4）结合动力自由度缩减综合法,以某实际高层钢筋混凝土框架结构为研究对象,建立高层框架结构自由度缩减混合试验系统,实现结构动力自由度缩减混合试验数值模拟。同时,建立整体结构有限元分析模型,对整体结构的动力特性及地震作用下的响应进行分析。通过与整体结构地震反应进行综合对比,对所建立的高层钢筋混凝土框架结构自由度缩减混合试验系统的可行性及有效性进行验证。

关键词：混合试验动静分离自由度缩减模态分析高层框架

RC隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

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振动工程学报 2023年第5期36卷 1402-1410页

作者：陈睦锋刘文光褚濛李韶平潘鹏上海大学土木工程系上海200444 上海核工程研究设计院股份有限公司上海200233 清华大学土木工程系北京100084

本文提出基于GPU并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析... 详细信息

本文提出基于GPU并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性MDOF剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下RC隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明:10层RC隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。

关键词：隔震结构混合试验分析静力分析自由度缩减

基于子结构等效刚度修正的抗震混合试验方法研究

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苏州科技大学学报（工程技术版） 2024年第1期37卷 22-27页

作者：李双江马俊玲田石柱袁晓静苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室江苏苏州215011

为了研究试验子结构等效刚度对结构抗震混合试验结果的影响,以结构固有频率设计为基础,并根据振动台的尺寸和承载能力要求设计两榀三层三跨的钢框架模型做地震模拟振动台试验;根据结构的对称特性选取框架底层1/4及1/2结构为试验子结构... 详细信息

为了研究试验子结构等效刚度对结构抗震混合试验结果的影响,以结构固有频率设计为基础,并根据振动台的尺寸和承载能力要求设计两榀三层三跨的钢框架模型做地震模拟振动台试验;根据结构的对称特性选取框架底层1/4及1/2结构为试验子结构并利用结构变形协调原理对试验子结构边界自由度进行缩减,设计了双通道作动器协同控制加载技术对试验子结构边界条件进行模拟,最后对所设计的三层钢框架模型进行混合试验,混合试验结果与振动台试验吻合较好,这表明在结构振动台抗震性能试验受限于台面尺寸和承重等因素时,基于子结构等效刚度的混合试验方法可为结构抗震性能分析提供一种有效的途径。

关键词：振动台试验抗震混合试验试验子结构等效刚度自由度缩减

基于缩减自由度的状态空间法计算伸缩全回转推进器轴系扭振

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船舶工程 2013年第6期35卷 47-50页

作者：王玉勃上海振华重工(集团)股份有限公司海上重工设计研究院上海200125

根据拉格朗日方程法,给出自由度缩减原理,将具有一个转动自由度的半正定系统缩减一个自由度,转化成正定系统,刚度矩阵不再奇异,采用状态空间法求解系统在时域上的强迫振动响应,其角位移结果能够直观的反映出系统的振动特性,对结果进行... 详细信息

根据拉格朗日方程法,给出自由度缩减原理,将具有一个转动自由度的半正定系统缩减一个自由度,转化成正定系统,刚度矩阵不再奇异,采用状态空间法求解系统在时域上的强迫振动响应,其角位移结果能够直观的反映出系统的振动特性,对结果进行比对分析。

关键词：全回转推进器轴系扭振自由度缩减状态空间

大规模结构拓扑优化高效算法及其GPU并行求解研究

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大规模结构拓扑优化高效算法及其GPU并行求解研究

作者：郑伟华南理工大学

学位级别：硕士

结构拓扑优化是在满足特定约束条件下,在给定设计域内自动获取材料最佳分布使结构目标性能最优的一种设计方法。相比于结构形状优化和尺寸优化,结构拓扑优化设计自由度更广,设计更加灵活且设计不依赖初始结构构型,是结构创新型设计与高... 详细信息

结构拓扑优化是在满足特定约束条件下,在给定设计域内自动获取材料最佳分布使结构目标性能最优的一种设计方法。相比于结构形状优化和尺寸优化,结构拓扑优化设计自由度更广,设计更加灵活且设计不依赖初始结构构型,是结构创新型设计与高性能设计的强大设计工具,在航空航天、汽车、机械和建筑等众多领域受到广泛的应用。然而,由于拓扑优化设计变量众多,优化过程需要反复迭代以及求解有限元方程,优化周期较长,计算量大,尤其是大规模模型的拓扑优化难以满足当下产品开发的快速响应需求。为提高拓扑优化的计算效率,本文研究了高效拓扑优化算法及其方程GPU并行求解技术,从算法本身和计算机硬件加速两方面来提高拓扑优化的计算效率,具体工作如下:(1)提出了基于自由度缩减与收敛加速的高效拓扑优化算法。自由度缩减是在求解拓扑优化有限元方程时减少方程自由度,从而加快方程的求解速度。该方法从两个方面共同减少有限元方程的自由度,一是减少拓扑优化过程中被空单元包围的节点自由度,二是减少优化迭代过程中节点位移基本不变的自由度。收敛加速则是通过灰度抑制方法减少拓扑优化的迭代次数,加快收敛。灰度抑制通过修改优化准则加快了设计变量的极化进程从而加快优化收敛速度。自由度缩减和收敛加速结合显著提高了拓扑优化有限元方程的求解速度和收敛速度,大幅度提升了拓扑优化计算效率。(2)提出了自适应三级网格的高效拓扑优化算法。通过自适应划分有限元网格在保证优化结果精度的同时提高了有限元分析效率。该方法将有限元网格分为细单元、中间单元和粗单元三种不同级别的单元。在拓扑优化每次迭代结束后,通过细单元、中间单元和粗单元之间的相互转化,自适应地根据拓扑构型将中间单元和粗单元应用在结构的实体或空区域,将细单元应用在边界区域,从而减少网格自由度,提高拓扑优化计算效率。同时,提出了混阶serendipity单元实现了不同尺寸单元之间的过渡,以及一种新的节点编号方法用于组装自适应三级网格的刚度矩阵。(3)开发了代数多重网格共轭梯度法的GPU并行求解技术用于拓扑优化中有限元方程的高效求解。相对于传统jacobi共轭梯度法以及不完全cholesky分解的共轭梯度法,代数多重网格共轭梯度法具有收敛速度快、求解效率高度的优点,能够显著加快大规模拓扑优化有限元方程的求解效率。在此基础上,通过GPU并行计算充分利用计算机硬件资源进一步提高求解器的计算效率,数值算例表明,代数多重网格共轭梯度法GPU并行求解相对于CPU串行求解的加速比可高达60倍。综上所述,本文围绕高效拓扑优化方法开展研究,提出了基于自由度缩减与收敛加速的高效拓扑优化算法,提出了自适应三级网格的高效拓扑优化算法,开发了代数多重网格共轭梯度法的GPU并行求解技术用于拓扑优化有限元方程的求解,从提高结构拓扑优化有限元分析效率和加快拓扑优化的收敛速度两方面提高了拓扑优化的计算效率,为新一代高效结构优化设计软件开发提供了理论基础与技术支撑,为缩短产品开发周期、提升产品质量提供了有力支持。

关键词：拓扑优化高效算法自由度缩减收敛加速 GPU并行计算稀疏线性方程求解

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自适应模型缩放非线性动力分析方法

土木工程学报 2018年第A01期51卷 116-121页

作者：方明王建李惠哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150000

提出一种基于模型损伤的自适应模型降阶动力分析方法。该方法在动力分析的每个分析步中根据损伤分布和损伤程度自适应地定义和调整模型子区域的缩放属性。针对模型缩小子区域,采用模态综合方法对其进行动力缩聚;针对模型放大子区域,采... 详细信息

提出一种基于模型损伤的自适应模型降阶动力分析方法。该方法在动力分析的每个分析步中根据损伤分布和损伤程度自适应地定义和调整模型子区域的缩放属性。针对模型缩小子区域,采用模态综合方法对其进行动力缩聚;针对模型放大子区域,采用精细化单元替换原有单元,最终形成混合坐标空间内的结构运动方程,通过求解缩减自由度之后的运动方程来提高计算效率。最后通过一个20层钢框架来验证该方法的有效性和适用性,数值结果表明,自适应模型缩放动力分析方法能够在满足模拟精度要求的同时,显著地提高非线性动力分析的计算效率。

关键词：自适应模型降阶自由度缩减混合数值模拟非线性动力分析

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基于频率响应的不同结构损伤识别方法研究

工程力学 2008年第6期25卷 6-13页

作者：汪之松郭惠勇李正良重庆大学土木工程学院重庆400045

为了解决结构损伤中的刚度和质量识别问题,将测量的响应位移应用于结构的损伤识别中,并提出了多频率激励损伤识别方法和改进的单频率激励损伤识别方法。对于多频率激励情况,首先分析了结构损伤的基本理论,然后推导了其刚度损伤指标和质... 详细信息

为了解决结构损伤中的刚度和质量识别问题,将测量的响应位移应用于结构的损伤识别中,并提出了多频率激励损伤识别方法和改进的单频率激励损伤识别方法。对于多频率激励情况,首先分析了结构损伤的基本理论,然后推导了其刚度损伤指标和质量损伤指标的识别公式;对于单频率激励情况,则首先根据结构的刚度特性和质量特性确定结构损伤的简化定位方法,在此基础上提出了其相应的迭代改进策略,以提高识别的精度。数值仿真结果表明:对于刚度影响占主导地位的桁架结构,多频率激励法对于刚度损伤的识别效果较好,对于质量损伤的识别效果较差;而采用改进的单频率激励识别策略,则可以更好的识别出刚度和质量的损伤,其识别结果优于多频率识别法和简化单频率识别法。

关键词：频率响应损伤识别损伤指标简谐激励自由度缩减

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接触碰撞动力学的多变量选取方法

力学学报 2014年第2期46卷 318-322页

作者：王检耀洪嘉振刘铸永上海交通大学工程力学系上海200240

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述:接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率.将该方法推广到三维空间碰... 详细信息

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述:接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率.将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性.针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.

关键词：柔性多体接触碰撞空间问题多变量选取自由度缩减

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一种求解弹性接触问题的缩减二次规划方法

力学与实践 2014年第5期36卷 604-610页

作者：邵松标刚宪约李双柴山山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255049

基于势能原理以节点位移为设计变量、以接触条件为约束方程构建了无摩擦弹性接触问题的二次规划数学模型,在此基础之上利用力平衡线性约束方程的特解和由基础解向量构成的奇异模态矩阵,提出一种新的基于奇异坐标变换的自由度缩减方法,... 详细信息

基于势能原理以节点位移为设计变量、以接触条件为约束方程构建了无摩擦弹性接触问题的二次规划数学模型,在此基础之上利用力平衡线性约束方程的特解和由基础解向量构成的奇异模态矩阵,提出一种新的基于奇异坐标变换的自由度缩减方法,大大降低了二次规划的规模,并使得二次规划模型不再含显性等式约束;根据弹性接触力学体系的特点,通过人为假定接触自由度位移模式,提出了一种简单高效的奇异模态矩阵的计算方法.通过两圆柱接触、轴孔间隙配合接触两个数值算例的对比分析,验证了对于弹性接触问题的求解,缩减二次规划方法有效克服了传统方法计算量大、对求解参数设置敏感、收敛困难的问题.

关键词：弹性接触二次规划势能原理自由度缩减奇异线性方程组