结构动力学问题中连接界面的非线性力学建模

发布时间：2017-08-14 11:42

  本文关键词：结构动力学问题中连接界面的非线性力学建模

  更多相关文章： 非线性 结构动力学 连接界面 系统辨识 降阶建模

【摘要】：连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因。连接界面的力学建模是结构动力学研究的重要内容。由于连接界面力学行为的复杂性,以及对连接界面进行直接试验观测的困难,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题。连接界面的力学建模方法主要可以分为“自下而上”和“自上而下”两大类。前者从分析结合面的跨尺度物理行为入手,从微纳米尺度开始利用物理规律建立界面的力学模型。其首先考虑单个微凸体的弹塑性接触和摩擦行为,建立微凸体接触载荷与变形间的非线性关系,然后采用数理统计或分形的方法建立粗糙连接界面的力学模型。后者是利用连接结构的宏观力学响应,采用黑箱、灰箱或白箱系统辨识理论和方法建立连接结构的力学模型。本文基于上述研究框架,分别从“自下而上”和“自上而下”两大方面开展了以下工作:1)提出一种利用低阶椭圆曲线插值方法描述微凸体弹塑性接触阶段平均接触压力随接触变形光滑连续变化的法向接触模型,进一步基于数理统计分析方法建立了一种粗糙界面法向接触力学模型。2)利用MINDLIN理论描述微凸体切向恢复力、能量耗散与变形之间的关系,进一步基于KD(Kragelsky-Demkin,KD)粗糙度描述形式建立了一种连接界面切向黏滑摩擦模型。3)基于微凸体发生库仑摩擦的假设,采用KD粗糙度描述形式,结合IWAN唯象模型的建模思想,建立了一种考虑粗糙接触的连接界面黏滑摩擦模型。4)利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)提取表征连接结构非线性行为的特征参量,采用BP(Back Propagation,BP)神经网络建立了连接界面唯象非线性模型参数的辨识方法,并进行了试验验证。5)基于快慢流动力学理论和EMD分析方法,辨识非线性本征模态的时变频率和阻尼特性,提出连接结构降阶非线性动力学建模方法,并进行了试验验证。本文的研究工作为进一步研究连接结构非线性动力学奠定了基础。
【关键词】：非线性 结构动力学 连接界面 系统辨识 降阶建模
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 连接界面非线性力学建模研究现状11-17
• 1.2.1“自下而上”的界面非线性力学模型11-14
• 1.2.1.1 法向接触模型11-14
• 1.2.1.2 切向接触模型14
• 1.2.2“自上而下”的界面非线性力学建模14-17
• 1.2.2.1 基于准静态接触非线性力学行为的唯象模型14-16
• 1.2.2.2 基于结构动力学系统辨识的非线性力学建模16-17
• 1.3 本文研究内容17-18
• 1.3.1“自下而上”的界面非线性力学建模17
• 1.3.2“自上而下”的系统非线性特征辨识方法建模17-18
• 第2章 粗糙表面法向弹塑性接触解析模型18-30
• 2.1 微凸体接触模型18-24
• 2.1.1 完全弹性变形阶段19-20
• 2.1.2 完全塑性变形阶段20
• 2.1.3 弹塑性变形阶段20-24
• 2.1.3.1 赵永武的方法21
• 2.1.3.2 BRAKE的方法21-22
• 2.1.3.3 本文的改进方法22-24
• 2.2 粗糙表面弹塑性接触模型24
• 2.3 弹塑性接触模型验证24-28
• 2.3.1 量纲一接触状态变量24-25
• 2.3.2 单个微凸体接触模型验证25-26
• 2.3.3 粗糙表面接触模型验证26-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 粗糙表面切向黏滑摩擦理论建模30-44
• 3.1 KD粗糙表面模型30-31
• 3.2 结合面法向接触模型31-32
• 3.3 基于MINDLIN弹性解的结合面黏滑摩擦模型32-38
• 3.3.1 MINDLIN弹性接触模型32-35
• 3.3.2 粗糙结合面黏滑摩擦模型35-37
• 3.3.3 粗糙度参数对界面力学行为影响37-38
• 3.3.3.1 切向特征量纲一化处理37
• 3.3.3.2 粗糙度参数对切向特征影响37-38
• 3.4 基于IWAN唯象模型的黏滑摩擦模型38-42
• 3.4.1 临界滑移力概率密度函数38-39
• 3.4.2 IWAN模型39-40
• 3.4.3 粗糙结合面黏滑摩擦建模40-41
• 3.4.4 粗糙度参数对界面力学行为影响41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 3.5.1 基于MINDLIN弹性解的结合面参数化黏滑摩擦模型42-43
• 3.5.2 基于IWAN唯象模型的黏滑摩擦模型43-44
• 第4章 基于BP神经网络辨识的连接界面参数化建模44-56
• 4.1 时域信号分析44-46
• 4.1.1 经验模态分解EMD分析44-45
• 4.1.2 HILBERT瞬时频率45-46
• 4.2 修正IWAN模型46
• 4.3 BP神经网络训练原理46-49
• 4.3.1 信号的前向传播过程48
• 4.3.2 误差的反向传播过程48
• 4.3.3 贝叶斯估计方法48-49
• 4.4 连接梁动力学分析49-52
• 4.4.1 线性梁单元49-50
• 4.4.2 连接单元内力50-51
• 4.4.3 动力学方程51-52
• 4.5 BP神经网络训练52-53
• 4.5.1 训练过程52
• 4.5.2 训练结果52-53
• 4.6 连接梁非线性连接模型参数辨识53-55
• 4.6.1 试验件结构53-54
• 4.6.2 结果以及讨论54-55
• 4.7 本章小结55-56
• 第5章 基于快慢流非线性系统辨识的连接结构建模56-74
• 5.1 快慢流动力学理论56-57
• 5.2 非线性本征模态振子57-58
• 5.3 连接动力学降阶模型58-72
• 5.3.1 线性系统58-60
• 5.3.2 算例 1 ——二自由度弹簧振子60-69
• 5.3.2.1 线性系统60-61
• 5.3.2.2 非线性系统61-69
• 5.3.3 算例 2——连接梁结构试验69-72
• 5.4 本章总结72-74
• 第6章 总结与展望74-76
• 6.1 工作总结74-75
• 6.2 工作展望75-76
• 参考文献76-84
• 附录84-86
• 已发表论文情况说明86-88
• 致谢88-89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：672514