非参数概率系统随机动力响应分析-中国力学学会.docVIP

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非参数概率系统随机动力响应分析-中国力学学会

非参数概率系统随机动力响应分析 (张亚辉1,赵岩1,2 (1.大连理工大学,工业装备结构分析国家重点实验室,工程力学系,大连,116024;2.,大连,11602) 摘 要关键词随机矩阵;随机振动;虚拟激励法 引言不确定动力系统的随机矩阵模型及平稳随机响应一般随机矩阵的概率统计特性为对称正定随机矩阵,其概率密度函数满足如下三个关系式 (1) (2) ,(3) 其中,定义为 (4) 通过上述三个基本关系式,应用最大熵原理可推导出随机矩阵概率密度函数为 (5) 其中 (6) 这里,()为Gamma函数。 随机矩阵的协方差为 (7) 利用概率密度特征函数进行推导,上式可进一步表示为如下形式[6-7] (8) 当,时,可得方差为 (9) 定义偏差控制参数为 (10) 由于,从而可以得到 (11) 不确定动力系统的随机矩阵模型及平稳随机响应 (12) 其中,矩阵、和为满足节的对称正定随机矩阵;为为零均值平已知。这里,考虑随机矩阵、和独立于随机激励。相应于上述随机矩阵模型的均值有限元模型运动方程可表示为如下形式 (13) 对于上述概率分布的随机矩阵的任意样本矩阵,即质量阵:、阻尼阵:和刚度阵:,运动方程(13)可转化为常矩阵线性动力系统 (14) 采用虚拟激励法进行该线性系统平稳随机振动分析,可设虚拟激励为[13-14] (15) 代入运动方程(14),有 (16) 此时,平稳随机振动分析转化为一确定性简谐振动分析,很容易求解结构虚拟响应为 (17) 结构动力响应的功率谱矩阵可由虚拟激励原理计算[13-14] (18) 任意一个响应量的方差可按下式计算 (19) 至此,随机矩阵模型运动方程(13)动力响应功率谱矩阵和方差的均值统计量可表示如下多重积分形式[6] (20) (21) 不确定动力系统的随机矩阵模型及平稳随机响应随机下非参数概率系统动力响应计算形如()式的多重积分。一般情形下,直接多重积分进行响应计算是困难的,采用Monte Carlo数值模拟直接、有效。非参数概率系统随机下动力响应Monte Carlo数值模拟,需生成随机质量阵、随机阻尼阵和随机刚度阵的样本矩阵。为此,可对一般随机矩阵进行讨论。现假设式(6)中参数为正整数,引入参数,即 (22) 进一步,对于随机矩阵的均值矩阵进行Cholesky分解,有 (23) 其中,是上三角矩阵。相应地,随机矩阵可由下式进行计算[6-9] (24) 这里,()是相互独立的随机向量,而各向量中的每一元素均为标准高斯随机变量(零均值和单位方差)。 数值算例 图1 25杆空间桁架 如图1所示的25杆空间桁架,杆件各性质参数分别为:弹性模量2.058×1011Pa,横截面积4.0×10-4m2,结构非支座节点分别附加质量20Kg。考虑系统受平行于y轴的平稳随机水平地面加速度作用,地面激励加速度功率谱为过滤白谱,表示为 (25) 式中相应的谱特性参数分别为:=142.75m2/s3,=19.07s-1,=0.544。 分析均值模型和非参数概率模型在上述平稳随机地面加速度激励下功率谱密度和方差响应,频率范围为[0,800] s-1,频点间隔为0.2。对于均值模型,运动方程为(1),直非参数概率模型,运动方程为(),考虑偏差参数0.02和0.2两种情况Monte Carlo数值模拟进行结构动力响应为0.02。图激励下不同模型功率谱响应比较。从图中对于较小偏差控制(偏差为0.02)时非参数概率模型动力响应计算结果同均值模型动力响应计算结果一致。但是对于较大的偏差控制(偏差为0.2)非参数概率模型同均值模型的动力响应计算结果有很大差异 图 结论 本文对于不确定非参数概率模型受平稳随机激励的动力响应进行了理论分析,提出了有效的求解算法。利用均值信息生成结构动力有限元模型中的随机质量阵、阻尼阵和刚度阵,应用随机振动高效、精确的虚拟激励方法进行非参数概率模型动力响应的数值模拟。本文的研究工作为非参数随机结构在随机荷载作用下的响应分析提供

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