Structural Optimization of Hatch Cover Based on Bi-directional Evolutionary Structure Optimization and Surrogate Model Method

Weight reduction has attracted much attention among ship designers and ship owners. In the present work, based on an improved bi-directional evolutionary structural optimization (BESO) method and surrogate model method, we propose a hybrid optimization method for the structural design optimization of beam-plate structures, which covers three optimization levels: dimension optimization, topology optimization and section optimization. The objective of the proposed optimization method is to minimize the weight of design object under a group of constraints. The kernel optimization procedure (KOP) uses BESO to obtain the optimal topology from a ground structure. To deal with beam-plate structures, the traditional BESO method is improved by using cubic box as the unit cell instead of solid unit to construct periodic lattice structure. In the first optimization level, a series of ground structures are generated based on different dimensional parameter combinations, the KOP is performed to all the ground structures, the response surface model of optimal objective values and dimension parameters is created, and then the optimal dimension parameters can be obtained. In the second optimization level, the optimal topology is obtained by using the KOP according to the optimal dimension parameters. In the third optimization level, response surface method (RSM) is used to determine the section parameters. The proposed method is applied to a hatch cover structure design. The locations and shapes of all the structural members are determined from an oversized ground structure. The results show that the proposed method leads to a greater weight saving, compared with the original design and genetic algorithm (GA) based optimization results.     

Surge Response of a Compliant Offshore Structure by Time Domain Simulation

A single-degree-of-freedom equation of motion was used for modeling a compliant offshore structure exposed to viscous hydrodynamic loads. The equation of motion contains nonlinearities in the forms of both Duffing stiffness and Morison drag force with current. The water particle velocity and acceleration for calculating the Morison inertia and drag forces are modeled as Gaussian processes based on a Pierson-Moskowitz (P-M) elevation spectrum. The single-degree-of-freedom equation of motion containing different ocean current values are then numerically integrated via a fourth-order Runge-Kutta scheme. Time trajectories of the surge response displacements of the offshore structure and the response probability density curves are obtained. Furthermore, the ocean current influences on the response central moments up to the fourth order are studied. A literature review reveals that this is the first treatment of such a pair of nonlinearities in time domain. The simulation results are analyzed, and some conclusions valuable for engineering design are pointed out.     

大跨屋盖结构抗风类型划分方法及应用

根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应之间的关系,初步提出划分结构抗风类型的思想,将大跨屋盖结构分为4类抗风类型,并给出具体的划分方案,以简化风振响应和等效静风荷载的分析过程．在此基础上,以拱作为研究对象,在工程常用的参数范围内,通过风洞试验,确定屋面风荷栽,对矢跨比分别为1／8和1／4的大跨拱结构的抗风类型进行系统的参数分析,研究风荷载基本参数和结构参数（矢跨比、跨度、结构截面刚度和屋面质量）对拱结构抗风类型的影响．分析结果表明：基频小于4Hz的绝大多数拱结构,脉动风响应明显大于平均风响应,脉动风响应不可忽略,属于背景响应可以忽略、共振响应占主导地位的结构抗风类型．     

Interval Analysis of the Finite Element Method for Stochastic Structures

A random parameter can be transformed into an interval number in the structural analysis with the concept of the confidence interval．Hence，analyses of uncertain structural systems Can be used in the traditional FEM software．In some cases，the amount of solutions in stochastic structures is nearly as many as that in the traditional structural problems．In addition，a new method to evaluate the failure probability of structures is presented for the needs of the modern engineering design．     

基于网格交通状态分类的行程时间规律挖掘与计算

在出租车轨迹数据挖掘的基础上，本文提出基于网格交通状态的行程时间计算方法。在区域网格化的基础上，利用出租车全球定位系统(Global Positioning System, GPS)数据构建区域网格宏观基本图，并对宏观基本图的流量-密度关系进行拟合；进而使用高斯混合聚类法，将区域交通状态分类为畅通、轻度拥堵和重度拥堵。对不同交通状态网格的行程时间进行挖掘分析，发现3类交通状态下网格行程时间表现出不同的分布特征，畅通、轻度拥堵和重度拥堵的最佳行程时间分布分别为Gamma分布、Weibull分布和对数正态分布；通过不同状态网格行驶时间联合概率密度分布的近似拟合推导出路径网格行程时间概率密度模型。本文提出的方法可以快速计算一 定可靠度条件下的行程时间，对不同线路和时间内的案例分析结果表明，该方法对路径行程时间估计的平均绝对误差在1%~16%，可以为交通诱导与未来导航提供技术方法支撑。     

我国抗震规范时程分析中地震动的输入数量

针对我国现行建筑抗震规范时程分析中地震动输入数量这一问题开展研究.首先基于结构响应参数服从对数正态分布的理论假设,通过500次/组蒙特卡罗抽样,模拟了两种不同输入地震动数量方案下的结构响应参数的累积概率分布曲线,表明了3条记录下选择响应最大值和七条记录下选择响应平均值两种输入方案的累积概率分布曲线存在较大差异:前者计算结果期望值要高于理论均值,且结果受响应离散性影响较大;后者计算结果的期望值就是响应理论均值本身,受响应离散性影响较小.同时对我国某10层平面RC框架进行弹塑性时程分析,结果表明:3条记录选取最大值的输入方案下结构响应预测均值要显著高于增加记录选取数量和控制记录间离散性的其他输入方案;建议在7条及以上强震动记录下的响应均值的基础上,以记录数量与响应离散性作为参数,通过经验修正公式来计算0.84分位值,以得到满足规范要求的84%以上保证率的计算结果,并对该经验修正公式在我国抗震规范下的适用性做了结构数值模拟验证.     

桥梁结构非线性地震响应极值分布的估算方法

为了研究近断层脉冲地震作用下桥梁非线性地震响应极值分布,进行小失效概率下的桥梁动力可靠度精确计算,提出了一种有效的近断层脉冲地震作用下桥梁结构非线性地震响应极值分布分析方法. 首先考虑桥梁结构的非线性和地震动的不确定性,采用拉丁超立方抽样对近断层脉冲地震动随机参数和结构随机参数进行随机抽样,通过模拟的高频地震动均方值和与精确值的相对误差确定出所需要的样本数量;其次以合成的近断层脉冲地震动作为地震激励,通过时程分析对结构非线性动力方程进行求解,从而得到结构非线性地震响应极值样本,再采用改进的分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应的极值分布;最后通过非线性单自由度系统和三层非线性剪切框架验证了该方法的有效性. 研究结果表明:该方法不仅能够有效的模拟近断层脉冲地震作用时,桥梁结构与地震动双重不确定性影响下的动力响应极值分布,更能在兼顾效率和计算精度时,精确估计桥梁结构非线性地震响应极值的尾部分布,能够为桥梁结构非线性动力可靠度评估提供一种有效的途径.      

基于单源模糊数的模糊有限元方程的解法

在单源模糊情况下,一个模糊数可以分解成为一个实数和一个单位模糊数。在求解这类模糊有限元时,可先将模糊因素分离出来,然后再按常规有限元方法求解,最后再处理含有模糊因素的结果。这样做不仅可以减少由于以往先处理模糊因素所需要的工作量,而且更利于工程技术人员对于该结构的分析和研究。     

随机地震激励下高墩桥梁碰撞可靠度分析

为了研究不同地震动强度作用下高墩桥梁的碰撞可靠度的不同,在频域范围内提出了一种以虚拟激励法为基础的动力可靠度计算方法,依托某高墩大跨度桥梁为工程背景,分析了高墩桥梁在不同地震强度下的碰撞可靠度.选择反应谱的水平加速度作为地震强度衡量指标,且将不同强度指标的反应谱转化为相应的功率谱;利用虚拟激励法求解随机振动方程,得到结构响应的均值与均方差值,再基于Davenport理论获得结构峰值响应的期望和标准差;根据首次超越理论计算梁体碰撞可靠度.研究表明:地震动加速度小于0.22g时,梁体之间不发生碰撞,动力可靠度为1.0;加速度大于0.22g时,梁体碰撞动力可靠度下降明显,即在强震作用下,梁体发生碰撞.      

传感器性能退化与结构损伤响应异常区分研究

针对现行结构损伤检测方法仅考虑了环境和荷载对损伤的影响,未考虑传感器因时间和环境变化导致的性能退化从而严重影响损伤诊断率的问题,考虑到传感器性能退化的局部性及结构损伤的全局性,利用最小均方差估计与广义极似然比（GLRT）理论检测结构响应异常,结合统计质量控制图的控制指标超出界限的波动样式判断异常来源,并通过简支梁数值算例验证了本文提出的方法.研究结果表明:利用广义极似然比可以有效检测响应异常,利用控制图可以辨别响应异常来源;传感器性能退化导致控制指标超出界限的波动为非平稳波动,而损伤导致控制指标在一定范围内的波动为平稳波动.      

基于高斯曲率模态差的T梁结构二维损伤识别研究

曲率模态是识别损伤的敏感指标,基于曲率模态的损伤识别研究大多局限于一维结构。为将曲率模态的损伤识别方法推广到二维结构,提出了基于高斯曲率模态的损伤识别方法,综合考虑二维结构的加速度振型曲面在纵向和横向上的弯曲程度,通过计算结构损伤前后加速度振型的高斯曲率差来判断结构损伤的位置。T梁组合结构的模态试验及试验分析结果验证了该方法的可行性。     

腹板上有竖向裂缝的钢筋混凝土T梁抗剪强度试验研究

本文针对既有ＲＣ桥梁中大量存在的腹板上的竖向裂缝，进行了六片模型梁的静力破坏试验，研究了损伤梁的传力机一昨结构行为，提出了与试验结果相吻合的损伤桥梁的抗剪强度的计算方法。     

基于Copula函数的高速列车转向架故障特征提取

为了实时监测高速列车转向架关键部件的工作状态,提出了一种基于Copula函数的特征提取方法.以某型高速列车转向架正常、抗蛇形减振器失效、空气弹簧失效、横向减振器失效4种工况的振动信号为研究对象,将信号进行聚合经验模态分解,针对得到的本征模态函数,使用Gaussian Copula函数构建它们的联合概率密度函数.提取边缘分布的Kullback-Leibler Distance值,及联合概率密度函数的均值和方差作为特征,采用支持向量机进行识别.实验结果表明,在200 km/h速度下,故障平均识别率在95%以上,表明了该特征提取方法的有效性.      

The Calculation of Collision Risk on Air-Routes Based on Variable Nominal Separation

In this paper, a new method to calculate collision risk of air-routes, based on variable nominal separation, is proposed. The collision risk model of air-routes, based on the time variable and initial time interval variable, is given. Because the distance and the collision probability vary with time when the nominal relative speed between aircraft is not zero for a fixed initial time interval, the distance, the variable nominal separation, and the collision probability at any time can be expressed as functions of time and initial time interval. By the probabilistic theory, a model for calculating collision risk is acquired based on initial time interval distribution, flow rates, and the proportion of aircraft type. From the results of calculations, the collision risk can be characterized by the model when the nominal separation changes with time. As well the roles of parameters can be shown more readily.     

随机地震动下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究

为研究随机激励作用时粘滞阻尼器在结构中的实际减振效果,开展了随机地震动作用下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究. 振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入. 通过对有控和无控模型结构响应的均值、标准差以及概率密度函数等进行比较,系统分析了粘滞阻尼器的消能减震效果. 结果表明:有控模型结构层间位移响应显著减小,楼层剪力均方根值取得一定的减振效果,而大多数楼层绝对加速度响应出现不同程度增大;随机地震动作用下模型结构动力响应的变异性显著,且不同试验地震动样本输入时粘滞阻尼器取得的减振效果不同;粘滞阻尼器-钢支撑系统工作时能给被控结构提供一定的附加刚度和附加阻尼,使得结构动力特性产生变化,进而改变结构地震响应;有控模型结构底层位移响应的均值及标准差在地震动作用时段内均显著减小,且底层位移响应在各时刻的概率密度函数的分布宽度及其形态较无控时发生明显变化.      

基于结构应力的转向架构架焊缝疲劳强度研究

为了解决现行标准中转向架构架焊缝容许疲劳强度数据存在的问题,针对当前的各种结构应力方法和数据,就其在焊缝结构应力测试、容许应力幅、设计值存活率、平均应力修正、焊缝修整疲劳强度提高及极限容许应力确定等方面的关系和差异进行对比,并构建了Q345钢焊缝基于实测结构应力的疲劳图和S-N曲线. 结果表明:转向架构架焊缝结构应力的实测可沿用B12/RP17规定的方法,即采用6 mm长的应变片并将其前端紧靠焊趾边缘布置;建议借鉴IIW (International Institute of Welding) FAT100和FAT90两组基本数据,并应用其平均应力和焊缝修整疲劳强度提高的修正方法,构建更加合理的基于实测结构应力的焊缝容许疲劳强度数据;对于2 × 106次循环数对应的疲劳图,极限容许应力可参考DVS 1612规定的方法,由母材屈服极限除以相应的安全系数确定.      

基于可靠度的桥梁构件三维地震易损性分析

为了评估桥梁结构近场抗震性能,建立了桥梁构件的三维地震易损性分析流程. 基于工程结构可靠度理论,用构件三维失效曲面表征墩柱、支座构件的损伤状态,将包含多个单一损伤指标的损伤状态方程作为三维地震易损性分析的损伤指标;其次在既有墩柱弯曲和剪切失效曲面研究的基础上,构建了墩柱弯曲和剪切破坏的损伤状态方程;并基于支座地震损伤的相对变形,建立了支座损伤状态的方程. 在此基础上,构建了墩柱和支座三维地震损伤状态的判别准则,并对不同损伤状态进行了量化. 结合各国桥梁抗震设计规范和工程结构可靠度理论,最后实现了三维地震易损性的计算分析. 通过一维地震易损性的简化验证,表明所提方法可用于桥梁结构的地震易损性分析中,并且所得结果与PSDA （probabilistic seismic demand analysis）法的最大概率偏差小于4%.      

桥梁结构非线性模型修正研究综述

针对桥梁服役期间由于结构力学性能减弱从而表现出具有时变特征的非线性振动问题,在回顾非线性模型修正发展的基础上,分别从非线性系统识别、非线性模型修正方法和非线性模型不确定性量化3个方面入手,总结了结构非线性模型修正技术中存在的一些关键问题;结合复杂结构损伤识别、性能评估与安全监测等内容,对其在桥梁结构中的应用展开了讨论。研究结果表明:以固有频率和模态振型为代表的响应特征量仅能反映时不变结构的物理特性,对于非线性结构而言其力学性能随外激励作用而不断变化,基于线性系统特征量的模型修正方法不能很好地适用于具有明显时变特性的非线性结构;结构动力响应主分量的瞬时频率和瞬时幅值包含了振动响应信号的相位信息和幅值信息,可以较为全面地反映动力荷载作用下结构响应的非平稳特性,选择具有时变特性的瞬时特征量来构建目标函数能够更为合理地表征非线性结构的动力特性;不确定性模型修正方法通过综合利用实测响应数据,考虑了测量噪声、模型误差和数值计算方法等不确定因素的影响,提高了模型修正结果的准确性;复杂结构非线性模型修正过程中涉及的参数众多,计算量大,极大地限制了其在实际工程结构中的应用,因此,合理选择具有代表性的非线性模型参数以及提高模型修正的计算效率是当前亟需解决的问题。      

Immune clonal selection optimization method with combining mutation strategies

In artificial immune optimization algorithm, the mutation of immune cells has been considered as the key operator that determines the algorithm performance. Traditional immune optimization algorithms have used a single mutation operator, typically a Gaussian. Using a variety of mutation operators that can be combined during evolution to generate different probability density function could hold the potential for producing better solutions with less computational effort. In view of this, a linear combination mutation operator of Gaussian and Cauchy mutation is presented in this paper, and a novel clonal selection optimization method based on clonal selection principle is proposed also. The simulation results show the combining mutation strategy can obtain the same performance as the best of pure strategies or even better in some cases.     

基于修正巴兰金理论的结构拓扑优化方法

为了探索具有工程实用性的结构优化新方法,应用渐进结构优化方法(ESO)对结构进行基于应力的拓扑优化.通过对巴兰金强度理论的修正,用单轴拉压极限应力比和单元主应力衡量单元应力水平,建立了一种基于修正巴兰金理论的渐进结构优化方法.算例表明,该方法可用于二维和三维结构的拓扑优化.