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力学测试与计算中的若干技术研究

作　者: 杨昌棋
导　师: 彭向和
学　校: 重庆大学
专　业: 固体力学
关键词: 并行计算无网格法动态响应计算时频分析噪声测量轴心轨迹测量
分类号: TP399
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

试验、建模和计算是工程力学的重要组成部分,也是计算机辅助工程技术的基础。计算机辅助工程技术的进步和发展,使得过去无法处理的大量自然现象可以利用计算机技术来进行高精度模拟分析和准确测量。但是,在大规模并行计算技术、非稳态激励下的系统响应计算技术以及集成测试技术等方面,仍然还有很多问题有待解决。本文针对计算机辅助工程中建模、分析计算和测试三大领域,以数字技术为基本手段,就无网格建模、宽带响应计算和基于信号处理的集成测试技术中的若干重要问题进行了深入的研究和探索。本文的第一部分,介绍了无单元法及无网格法的主要流派、研究现状以及发展趋势。以无网格法为重点,介绍了无网格法四边形单元的构造技术并提出两种无网格法四边形单元构造方法。其中,基于重叠划分四边形单元法不仅保留了无网格法的特征,且具有适合于并行计算的特点。通过一个算例,证实了算法的有效性。为了解决无网格法与常规有限元法的融合问题,提出了基于NBN(node by node)有限元刚度矩阵的并行组集方法。这一方法不仅可以解决常规有限元的刚度矩阵并行组集的问题,也可实现常规有限元数据到无网格单元法的数据格式的转换与融合。在第二部分中,通过一个简单的系统响应计算实例,说明了在宽带、非稳态激励下常规的系统响应计算方法存在的问题。利用数字信号处理技术,详细分析了现有的系统响应计算方法产生问题的原因。指出了长期以来对于系统响应计算存在的一个误区,即系统响应计算参数的选择只需考虑计算格式的稳定性,而不考察激励信号本身的特征。作者通过设计的算例非常简洁地说明这一问题可能带来的严重错误。针对这一问题,详细讨论了常规计算方法对不同激励信号的适应性,提出了基于激励信号滤波和分解的响应计算综合策略。在第三部分中,将作者所负责的自然科学基金项目取得的时频分析技术成果引入到力学的激励信号处理中。讨论了宽带、非稳态激励信号的时频滤波和去噪技术。通过滤波在一定程度上减少因频率混叠给响应计算利用带来的困难。对于宽带、非稳态激励信号,利用时频分析技术研究了激励信号的时频划分方法,通过这一技术可将信号分解成若干频率成份较为单一的基本分量。详细研究了基于小波分析技术和模式分离技术的时频分解和重组技术。本文的最后,针对计算机辅助工程的集成环境,利用数字信号处理技术和虚拟仪器技术,在尽可能利用计算机硬件资源和最大限度地减少专用设备的前提下,<WP=6>针对宽带噪声测量问题,建立了基于FFT的噪声信号分析模型,提出了噪声倍频程分析的数字计权和系统误差数字修正技术。开发出了高精度实时噪声分析仪系统。针对轴心轨迹测量问题,建立了基于FFT的轴心轨迹位移分析模型,开发出基于虚拟仪器技术的实时轴心轨迹分析仪,利用这一技术可以很方便的进行轴心轨迹的分频模式运动分析和对比。在文章结尾对本文工作进行了总结,对相关的领域研究进行了展望。本文中部分内容系国家自然科学基金资助项目“小波消失矩理论与信号深层隐含噪声的探测和抑制的研究”(批准号:No.50075090)中的部分内容。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-13
1 绪论  13-39
  1.1 问题的提出和研究意义  13-15
    1.1.1 问题的提出  13-14
    1.1.2 研究意义  14-15
  1.2 计算机辅助工程集成分析技术  15-16
    1.2.1 计算机辅助工程  15-16
    1.2.2 计算机辅助工程集成分析技术  16
  1.3 数值模拟技术的新军--无单元法  16-28
    1.3.1 基于紧支域权函数的无单元法  17
    1.3.2 光滑粒子流体动力学法  17-19
    1.3.3 移动最小二乘近似(MLS)  19-21
    1.3.4 再生核质点法(RKPM)  21-25
    1.3.5 单位分解法  25-26
    1.3.6 无网格局部彼得洛夫-伽辽金法  26
    1.3.7 无网格法(FMM)  26-27
    1.3.8 国内学者对无网格方法的研究贡献  27-28
  1.4 非平稳激励信号的分解  28-30
  1.5 宽带、非平稳信号的分频分析技术  30-31
  1.6 时频分析的发展概况  31-36
    1.6.1 短时Fourier变换  32-33
    1.6.2 小波变换  33-35
    1.6.3 Winger-Ville分布  35-36
  1.7 本文主要工作、内容和创新  36-39
    1.7.1 主要工作和内容  36-37
    1.7.2 本文创新  37-39
2 无网格法四边形单元构造技术研究  39-53
  2.1 引言  39-40
  2.2 无网格法四边形单元构造预处理  40-42
  2.3 内建四边形单元的IQFMM 方法  42-46
  2.4 外建四边形单元的OQFMM 方法  46-47
  2.5 基于并行计算环境的OQFMM方法  47-49
  2.6 算例与精度比较  49-51
  2.7 小结  51-53
3 基于NBN的有限元刚度矩阵并行组集技术  53-60
  3.1 引言  53
  3.2 基于NBN的有限元刚度并行组集技术  53-59
    3.2.1 思路  53-54
    3.2.2 节点相关单元信息链表  54-57
    3.2.3 刚度并行组集  57-58
    3.2.4 计算量分析  58-59
  3.3 小结  59-60
4 基于激励信号分解的宽带响应计算方法研究  60-74
  4.1 引言  60
  4.2 宽带、非稳态激励下现有响应计算方法面临的问题  60-66
    4.2.1 中心差分法的问题分析  61-62
    4.2.2 威尔逊法的算法分析  62-63
    4.2.3 Newmark法的问题研究  63-64
    4.2.4 振型叠加法的问题分析  64-65
    4.2.5 响应计算方法普遍性问题的实例分析  65-66
  4.3 基于数字信号处理技术的积分步长的选取原则  66-69
    4.3.1 基于激励信号特征的积分步长的选取条件  66-68
    4.3.2 基于积分稳定性的积分参数的选取原则  68-69
  4.4 基于激励信号分解的宽带响应计算综合法  69-73
    4.4.1 系统动态响应计算振型叠加法的适应性研究  69-71
    4.4.2 中心差分算法对宽带激励的适应性  71
    4.4.3 Newmark法对宽带激励的适应性  71-72
    4.4.4 基于激励信号分解的宽带响应计算综合法  72-73
  4.5 小结  73-74
5 基于时频分析的载荷信号去噪技术研究  74-86
  5.1 引言  74-75
  5.2 宽带、非稳态激励信号的去噪  75-84
    5.2.1 经典滤波和去噪  75-76
    5.2.2 基于门限决策小波变换的滤波和去噪  76-77
    5.2.3 基于平移不变的小波去噪算法  77-82
    5.2.4 多分辨实验模态分解方法去噪与滤波  82-84
  5.3 小结  84-86
6 激励信号分解与重组  86-102
  6.1 引言  86
  6.2 基于小波变换的多分辨激励信号分解  86-94
    6.2.1 小波变换的多分辨分析的概念  86-87
    6.2.2 信号的时频划分  87-89
    6.2.3 小波基的构造  89-90
    6.2.4 离散小波变换的快速算法  90-92
    6.2.5 激励信号的小波分解和重构  92-94
  6.3 基于实验模态分解技术的激励信号分解方法  94-100
    6.3.1 固有模态函数  94-95
    6.3.2 基于全局筛分的激励信号分解技术  95-97
    6.3.3 基于多尺度筛分的激励信号分解技术  97-100
      6.3.3.1 分段IMF的概念  97
      6.3.3.2 基于多尺度筛分的激励信号分解技术  97-100
  6.4 小结  100-102
7 基于数字信号处理技术宽带噪声测试方法  102-112
  7.1 引言  102
  7.2 基于FFT技术的实时噪声倍频程分析模型  102-103
  7.3 噪声分析中的数字计权  103-104
  7.4 噪声倍频程的快速分析方法  104-105
  7.5 噪声倍频程分析仪中的抗混滤波器与系统误差修  105-107
  7.6 数字化时域计权技术  107-109
  7.7 虚拟噪声分析仪的开发  109-110
  7.8 小结  110-112
8 基于FFT的虚拟式轴心轨迹分析技术  112-118
  8.1 引言  112
  8.2 转子轴心轨迹测量中的问题  112-113
  8.3 基于FFT的轴心轨迹分量分解模型  113-114
  8.4 可控分量的轴心轨迹合成技术  114-115
  8.5 虚拟式轴心轨迹分析仪的基本流程  115
  8.6 虚拟式轴心轨迹分析仪  115-117
    8.6.1 数据采集与采样相位差抑制  115-116
    8.6.2 虚拟式轴心轨迹仪开发  116-117
  8.7 小结  117-118
9 总结与展望  118-120
  9.1 本文工作总结  118-119
  9.2 本文工作总结  119-120
致谢  120-122
参考文献  122-132
附录:A、作者在攻读博士学位期间发表的论文目录  132-133
附录:B、作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  133-134

力学测试与计算中的若干技术研究

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