The objective of this thesis is to develop a novel methodology of fractional stochastic dynamics to study stochastic stability of viscoelastic systems under stochastic loadings. Numerous structures in civil engineering are driven by dynamic forces, such as seismic and wind loads, which can be described satisfactorily only by using probabilistic models, such as white noise processes, real noise processes, or bounded noise processes. Viscoelastic materials exhibit time-dependent stress relaxation and creep; it has been shown that fractional calculus provide a unique and powerful mathematical tool to model such a hereditary property. Investigation of stochastic stability of viscoelastic systems with fractional calculus frequently leads to a parametrized family of fractional stochastic differential equations of motion. Parametric excitation may cause parametric resonance or instability, which is more dangerous than ordinary resonance as it is characterized by exponential growth of the response amplitudes even in the presence of damping. The Lyapunov exponents and moment Lyapunov exponents provide not only the information about stability or instability of stochastic systems, but also how rapidly the response grows or diminishes with time. Lyapunov exponents characterizes sample stability or instability. However, this sample stability cannot assure the moment stability. Hence, to obtain a complete picture of the dynamic stability, it is important to study both the top Lyapunov exponent and the moment Lyapunov exponent. Unfortunately, it is very difficult to obtain the accurate values of theses two exponents. One has to resort to numerical and approximate approaches. The main contributions of this thesis are: (1) A new numerical simulation method is proposed to determine moment Lyapunov exponents of fractional stochastic systems, in which three steps are involved: discretization of fractional derivatives, numerical solution of the fractional equation, and an algorithm for calculating Lyapunov exponents from small data sets. (2) Higher-order stochastic averaging method is developed and applied to investigate stochastic stability of fractional viscoelastic single-degree-of-freedom structures under white noise, real noise, or bounded noise excitation. (3) For two-degree-of-freedom coupled non-gyroscopic and gyroscopic viscoelastic systems under random excitation, the Stratonovich equations of motion are set up, and then decoupled into four-dimensional Ito stochastic differential equations, by making use of the method of stochastic averaging for the non-viscoelastic terms and the method of Larionov for viscoelastic terms. An elegant scheme for formulating the eigenvalue problems is presented by using Khasminskii and Wedig’s mathematical transformations from the decoupled Ito equations. Moment Lyapunov exponents are approximately determined by solving the eigenvalue problems through Fourier series expansion. Stability boundaries, critical excitations, and stability index are obtained. The effects of various parameters on the stochastic stability of the system are discussed. Parametric resonances are studied in detail. Approximate analytical results are confirmed by numerical simulations.

El análisis y el control de las vibraciones cobra especial importancia en muchas ramas de la ingeniería, en especial la ingeniería mecánica, civil, aeronáutica y automovilística. Tal es así que prácticamente se identi¿ca como un área independiente dentro del análisis dinámico de estructuras. Desde los comienzos de esta teoría, las fuerzas disipativas o de amortiguamiento han sido uno de los fenómenos más difíciles de modelizar. El modelo viscoso, por su sencillez y versatilidad ha sido y sigue siendo el gran paradigma de los modelos de amortiguamiento. Sin embargo, como consecuencia de la aparición de materiales con memoria se introdujo el fenómeno de la viscoelasticidad; Esta, si bien está también 'íntimamente ligada ' a la velocidad de la respuesta, necesito de la introducción de las denominadas funciones hereditarias, que permiten poner a las fuerzas disipativas como función no solo de la velocidad instantánea sino de la historia de velocidades desde el comienzo del movimiento, de ahí el termino memoria. De forma natural, el avance teórico introducido en el modelo supone también una complicación computacional, pues donde antes teníamos un sistema lineal de ecuaciones diferenciales ahora tenemos un sistema de ecuaciones integro-diferenciales. El análisis de las vibraciones libres de los sistemas con amortiguamiento viscoelástico conduce a un problema nolineal de autovalores donde la característica principal es una matriz de amortiguamiento que depende de la frecuencia de excitación. El estudio de la solución de autovalores y autovectores de este problema es importante si se desean conocer los modos de vibración de la estructura o si se pretende obtener la respuesta en el dominio de la frecuencia del sistema. El objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral es doble: Por un lado, profundizar en el conocimiento del problema de autovalores de sistemas viscoelásticos proponiendo para ello nuevos métodos numéricos de resolución. Por otro, desarrollar un nuevo modelo viscoso que, bajo ciertas condiciones, reproduzca la respuesta del modelo viscoelástico con su¿ciente aproximación. La Tesis se divide en ocho capítulos, de ellos el cuerpo principal se encuentra en los seis centrales (Capítulos 2 a 7. Todos ellos son artículos de investigación que, o bien han sido publicados, o bien están en proceso de revisión en revistas contenidas en el Journal Citation Reports (JCR). Por esta razón, todos los capítulos conservan la estructura intrínseca de un artículo, incluidas una introducción y una bibliografía en cada uno. Los cuatro primeros capítulos (Capítulos 2 a 5) se centran en el estudio del problema no lineal de autovalores. Se proponen dos metodologías de resolución: la primera es un procedimiento iterativo basado en el esquema del punto-¿jo y desarrollado para sistemas proporcionales o ligeramente no-proporcionales (aquellos en los que los modos se presentan desacoplados o casi desacoplados). La segunda metodología (presentada en dos capítulos diferentes), denominada paramétrica, permite obtener soluciones casi-analíticas de los autovalores, tanto para sistemas de un grado de libertad como para sistemas de múltiples grados de libertad y dentro de 'estos, para sistemas proporcionales y no proporcionales. El estudio del problema de autovalores se completa con un capítulo dedicado a los autovalores reales, también denominados autovalores no viscosos. En 'él se demuestra una nueva caracterización maten ática que deben cumplir dichos autovalores y que permite proponer un nuevo concepto: el conjunto no-viscoso. Los dos 'últimos capítulos (Capítulos 6 y 7) analizan el Modelo Viscoso Equivalente como propuesta para la modelización de la respuesta de sistemas viscoelásticos. El análisis se realiza desde el dominio de la frecuencia estudiando la función de transferencia. En una primera etapa (pen último capítulo), de naturaleza más maten ática, se demuestra que la función de transferencia exacta de un modelo viscoelástico se puede expresar como suma de una función de transferencia propia de un modelo viscoso más un término denominado residual, directamente dependiente del nivel de amortiguamiento inducido y del acoplamiento modal (noproporcionalidad de la matriz de amortiguamiento). En una segunda etapa ('ultimo capítulo), se desarrolla una aplicación para estructuras reales formadas por entramados planos de elementos 1D amortiguados con capas de material visco elástico. Este tipo de estructuras ha permitido usar una variante mejorada del método paramétrico para la obtención de los autovalores, de forma que en este 'ultimo capítulo ha servido como nexo de unión de las metodologías más importantes desarrolladas en la Tesis. / Lázaro Navarro, M. (2013). The Eigenvalue Problem in Linear Viscoelastic Structures: New Numerical Approaches and the Equivalent Viscous Model [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30062