混合智能结构非线性行为和动力特性建模与分析

充分考虑复合材料层合结构拉弯耦合效应和弯剪耦合效应引起的各向异性性质, 以及横向剪切变形的影响, 初始几何缺陷的影响; 对于功能梯度复合材料同时考虑热传导和材料热物参数对位置和温度变化的依赖性, 研究带压电层混合智能板壳结构在复杂环境和复杂荷载作用下的非线性弯曲、后屈曲和动力特性。发展一套有效的分析方法和计算程序用于混合智能板壳结构的非线性和动力分析。为解决航天航空关键性技术问题提供理论基础。 2100433B

污泥膨胀是污水处理过程中经常发生的一种现象，已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一。由于受进水水质、环境状况、运行条件等因素的影响，污泥膨胀动力学特性非常复杂，建模十分困难。本课题在深入分析活性污泥沉降过程动力学特性的基础上，剖析污泥膨胀的致因机理，研究污泥沉降过程变量与污泥膨胀之间的相关性，获取污泥膨胀的特征变量；对于不能在线测量的特征变量，结合主元分析等方法从相关的可测参量集中找出主元参量，建立其软测量模型。同时研究自组织递归神经网络，获取能够反映污泥沉降比(SV)、污泥体积指数(SVI)等变量的自组织特征模型，并分析自组织特征模型的精确度和稳定性。最后形成具有自主知识产权的污泥膨胀智能特征模型，解决污泥膨胀识别与预测问题。研究工作对于污水处理厂的优化设计，污水处理过程的实时控制，都具有非常重要的支撑作用。因此，本课题的研究具有较高的理论研究价值，成果具有广阔的应用前景。

污泥膨胀是污水处理过程中经常发生的一种现象，已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一。由于受进水水质、环境状况、运行条件等因素的影响，污泥膨胀动力学特性非常复杂，建模十分困难。本课题从智能信息处理的角度出发，通过理论分析、仿真计算、实验反复交互作用，不断完善研究内容，最终获得结构简单，易于工程实现的污泥膨胀智能特征模型。具体为：首先，获得了一组污泥膨胀的特征变量，在深入分析活性污泥沉降过程动力学特性的基础上，剖析污泥膨胀的致因机理，研究污泥沉降过程变量与污泥膨胀之间的相关性，基于污水处理系统实际运行数据，利用数据挖掘的方法获取污泥膨胀的特征变量；其次，建立了污泥膨胀特征变量的软测量模型，对于不能在线测量的特征变量，结合主元分析等方法从相关的可测参量集中找出主元参量，利用神经网络建立主元参量软测量模型。最后，为了提高模型的精度，研究自组织神经网络，获取能够反映污泥沉降比(SV)、污泥体积指数(SVI)等变量的自组织特征模型，并分析自组织特征模型的精确度和稳定性；形成具有自主知识产权的污泥膨胀智能特征模型，解决污泥膨胀识别与预测问题。相关研究成果在IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Journal of Process Control等刊物上发表学术论文39篇，其中SCI收录16篇，被他人引用百余次；撰写专著1部；申请国家发明专利15项，其中获得授权国家发明专利8项，授权实用新型专利2项，授权软件著作权4项；研究工作对于污水处理厂的优化设计，污水处理过程的实时控制，具有非常重要的支撑作用。总体看来，课题研究成果具有较高的理论和实际应用价值。 2100433B

1）针对钻柱的变截面、变刚度旋转长轴和双重非线性特征，考虑钻柱与井壁的非线性碰摩特性，本研究基于哈密顿原理建立了深井、超深井钻柱动力学模型，并重点分析了非线性项对钻柱动态特性的影响。2）提出了运用直梁和空间曲梁单元混合求解动力学模型的新型有限元节点迭代方法，避免了大型矩阵的处理，使得利用普通计算机求解分析大型结构和非线性力学问题成为可能，从而实现了超深井钻柱的动力学特性求解，得到了超深井钻柱不同位置的涡动轨迹、涡动速度、涡动加速度。3）针对节点迭代法计算费时难题，考虑钻柱与井壁碰摩的具体特征，提出采用弹塑性边界的接触问题处理方法，对迭代过程进行了优化，使计算时间得到了大幅度缩短（7000m钻柱动力学特性的模拟由原来的14小时缩短到3小时）。4）提出了一种考虑钻柱动态应力和碰撞应力的深井、超深井钻柱动态安全因子计算方法，并提出了一套基于钻柱动力学动态安全性的实用评价技术。结合塔里木油田生产实际，分析了塔里木油田3套井身结构钻柱的动力学特性，初步明确了不同井身结构条件下钻柱动力学特性的具体特征，相关研究成果已在塔里木油田的钻井设计中加以应用。同时，研究了钻柱结构参数和施工参数对钻柱动力学特性的影响，形成了以钻柱动态安全性为依据的参数优化方法。5）结合超深井钻柱在复杂载荷作用下的空间构形特征，探讨了这种双重非线性问题的固有频率计算方法，分析了载荷激励下钻柱的模态响应。6）结合气体钻井特征，分析了气体钻井过程中的钻柱动力学特性，并与泥浆钻井进行了对比，研究了钻井液性能对钻柱动力学特性的耦合效应。结果表明，气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井，气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力远大于泥浆钻井。7）利用井下实测工具，测量了塔里木油田超深井钻柱的井下振动特性，获得了井下钻柱的涡动、粘滑、轴向振动等有用信息。利用FFT和STFT信号处理分析，得出了振动的主要频率。8）利用弹塑性模型对复杂载荷作用下钻具接头丝扣的三维力学特性进行了研究，得到了钻具接头丝扣的受力特征，研发了钻柱接头的极限工作扭矩图板；9）为了使钻柱动态安全性评估和动力学特性仿真平台更能具有实际应用价值，研发了一套钻柱动态安全性仿真平台，并在塔里木油田得到较好的应用。 2100433B