基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。

基于LSTM深度学习网络的分布动载荷识别

提出一种基于LSTM深度学习网络的分布动载荷识别新方法。首先,建立结构有限元模型并对载荷作用区域进行平面化和子区域网格划分,构建子区域上以形函数形式分布的动载荷和有限元模型节点动响应之间的传递关系,建立节点处应变动响应与对应子区域上分布动载荷的样本库;其次,利用Meyer小波对样本库中的时域样本进行特征提取,并基于LSTM深度学习网络训练子区域上分布动载荷与有限元模型节点应变动响应的传递关系;最后,开展了数值仿真研究,利用有限元模型仿真应变动响应识别了三维壁板结构表面的分布动载荷,验证了所提出方法的有效性。研究旨在为服役状态下壁板结构上动载荷环境预示提供技术支撑。

路面激励下弹体-运输车耦合振动分析

为了提供在导弹运输过程中振动问题的理论分析依据,分别利用能量法和有限元方法对运输车和弹体进行了动力学建模,并通过支撑处的自由度匹配建立车-弹耦合振动分析模型.通过求解车-弹耦合振动微分方程,分析了路面激励下系统的振动量级.利用数值仿真研究了不同弹体支撑刚度、车速和路面等级等因素对弹体某重要部位振动量级的影响.结果表明:弹体动响应均方根随着运输车车速的增大呈波动增大,随着支撑刚度的增加而减小,并趋于稳定.

卫星结构基础加速度激励及界面力识别试验研究

针对某卫星结构模型,开展基于实测卫星结构加速度的卫星基础激励和星-箭连接界面动载荷反演试验研究。首先,根据卫星结构和试验条件,设计了用于测量星-箭界面传递载荷的工装;其次,基于卫星结构模态试验和有限元模型修正技术,获取了卫星结构的高保真有限元模型;进一步,开展基础激励下的卫星结构模型振动试验,利用动载荷识别技术获取振动台基础加速度激励并与振动台实测加速度激励对比;最后,将识别的基础加速度激励作用于修正后的卫星结构有限元模型,获取振动台与卫星结构间的界面传递载荷,并与力传感器测量载荷对比完成试验验证。研究表明动载荷识别方法可以为服役状态下的卫星振动载荷环境预测提供技术支持。

由有限元-Wavelet-Galerkin法识别桥面移动载荷

基于欧拉梁模型,将有限元法与Wavelet-Galerkin法相结合应用于车桥系统移动载荷识别中,建立了一种动载荷识别的新方法。该方法的优点在于利用小波识别的方法将原来复杂的微分方程(组)分解成小波空间里互相独立的线性方程(组),简化了计算,同时也消除现有方法如力平衡法Ⅱ、有限元法等由位移(应变)信号得到速度、加速度信号过程中的拟合求导的误差。文中讨论了测点排布,采样频率等因素对识别精度的影响,数值仿真表明该方法能正确而方便地进行车桥系统的移动载荷识别。

复合材料梁弹性参数不确定性量化及试验验证

为定量描述复合材料宏观力学性能的离散性,提出了仅有少量试验数据样本工况下,非均匀复合材料梁弹性模量的不确定性量化方法.基于梁不确定性弹性模量的谱分解模型,利用贝叶斯理论和蒙特卡罗模拟实现不确定性量化.对同一批次的复合材料梁开展试验研究,利用模态试验数据识别获得的梁弹性模量样本建立不确定性量化模型,并利用振动试验中实测动响应样本验证不确定性量化模型的正确性.该方法可以利用小样本试验数据,建立准确描述系统不确定性参数的量化模型,克服了传统概率模型需要大样本数据的缺陷,可以为复合材料结构的不确定性量化分析和可靠性评估提供参考.

星箭界面环形分布随机动载荷频域识别

提出了一种环形连续分布随机动载荷的识别方法,用于估计星箭连接环处非均匀随机基础激励.首先,利用B样条基函数表示载荷的分布函数,构建了基于B样条基函数的分布随机激励模型,将分布载荷识别问题转化为系数向量的估计问题;其次,分别基于直接求逆法和逆虚拟激励法,推导响应与激励模型中系数的关系式,根据结构响应识别激励模型中的系数;最后,基于识别的系数重构环形分布随机动载荷.以受环形分布随机基础激励的某卫星结构模型为研究对象,验证所提方法的有效性,并讨论了不同识别方法、测量噪声、测点数量与控制点数量对识别精度的影响.结果表明,识别的激励功率谱密度均方根误差和空间分布误差均小于2%,说明该方法可为在役环境下航天器的载荷环境预测提供技术支持.

复合材料梁弹性参数连续分布场识别

针对纤维编织复合材料宏观力学参数空间分布的非均匀特性,提出基于正交展开的复合材料等效参数分布场识别方法,利用有限测点加速度响应信息识别复合材料梁上连续分布的等效弹性参数。基于Legendre正交多项式的参数分布场模型,推导了加速度频响函数对正交多项式系数的灵敏度,通过迭代求解优化问题识别复合材料梁沿轴向连续分布弹性参数场。以两端固支Euler-Bernoulli梁为研究对象开展数值仿真研究,验证识别方法的正确性;进一步开展复合材料梁模态试验,利用实测频响函数识别非均匀复合材料梁的杨氏模量场。结果显示,利用识别得到的等效杨氏模量场重构的结构频响函数与试验值高度吻合,表明识别得到的等效杨氏模量场能有效表征梁的刚度分布,且该识别方法对测量噪声具有鲁棒性。

惯性导航平台角振动抑制技术

为了抑制惯性导航平台的角振动,基于隔振理论,建立了具有弹性支承的六自由度刚体在基座位移激励下的振动微分方程.分析了振动方程解耦的参数条件;依据惯导平台减振系统线振动固有频率尽可能低、角振动固有频率尽可能高的设计原则,利用抗扭软轴来增加系统的角刚度,并采用有限元模型进行了数值仿真.模态分析结果表明,设置抗扭软轴后,角振动模态频率提高至无抗扭软轴时的2.3倍左右,且对线振动模态频率不产生影响.频率响应分析结果表明,抗扭软轴能够提高平台角振动固有频率,表征角振动的位移频率响应共振频率由27 Hz提升至64Hz左右,并且角刚度的增大使角偏移降低了一个数量级.由此表明,采用抗扭软轴来增大惯导平台减振系统角刚度、抑制角振动是有效可行的.

复合材料加筋板计及热效应的声-固耦合分析

高超声速飞行器在服役时会面临高温、振动和噪声等环境,声-固耦合是其设计环节备受关注的问题之一。针对飞行器典型复合材料加筋板,采用有限元-边界元法从三种工况开展加筋板的声-固耦合分析,即仅考虑高温对材料力学性能的影响(工况一)、仅考虑热应力对结构刚度的影响(工况二)、同时考虑二者的影响(工况三)。结果表明:高温引起的材料力学性能改变降低了板的固有频率,使响应峰值升高并向低频处移动;附加热应力的存在整体上降低了板的固有频率并改变了模态振型,引起响应峰值频率向高频处移动,并在整体上抑制了加速度响应;同时考虑二者的影响时,应力响应显著增大,加速度响应显著减小,且响应峰值频率位于工况一与工况二之间;高温对声压响应影响不大。

考虑重力影响的太阳翼模型修正方法研究

太阳翼结构地面模态试验时重力导致的几何非线性不能忽略,因此提出了一种考虑重力影响的柔性结构动力学模型修正方法。首先推导了地面环境下结构的切线刚度矩阵,求解广义特征值,得到重力影响下的模态,对试验和计算得到的模态振型进行匹配,并进行参数的灵敏度分析,选取合适的修正参数并迭代求解参数的修正量。以展开锁定情况下的太阳翼组合结构为研究对象,对比研究发现重力对模态频率有影响,采用分步修正策略,依次对单翼板弹性参数和翼板间连接刚度进行修正,研究结果表明本文方法不仅收敛速度较快,且具有较高的精度。

基于区间分析的不确定性结构动力学模型修正方法

提出了一种基于区间分析的不确定性有限元模型修正方法。在区间参数结构特征值分析理论和确定性有限元模型修正方法基础上,假设不确定性与初始有限元模型误差均较小,采用灵敏度方法推导了待修正参数区间中点值和不确定区间的迭代格式。以三自由度弹簧-质量系统和复合材料板为例,采用拉丁超立方抽样构造仿真试验模态参数样本,开展仿真研究。结果表明,当仿真试验样本能准确反映结构模态参数的区间特性时,方法的收敛精度和效率均较高;修正后计算模态参数能准确反映试验数据的区间特性。所提出方法适用于解决试验样本较少,仅能得到试验模态参数区间的有限元模型修正问题。

随机基础激励下承力筒—蒙皮结构的声—固耦合分析

针对航天器承力筒—蒙皮典型结构,分别基于有限元—直接边界元法和有限元—间接边界元法建立仅考虑内/外声场和同时考虑内外声场的声—固耦合模型,开展典型结构在随机基础激励下的声—固耦合研究,并重点分析内外声场和声—固耦合效应对典型结构固有特性及动响应的影响。研究结果表明:考虑声—固耦合效应后结构振型未发生变化但固有频率降低,仅考虑单一声场效应时固有频率较同时考虑内外声场时升高;声—固耦合效应使结构的响应整体上降低,但在与激励方向平行的蒙皮处由于内声场的作用而增大;内声场对动响应的影响大于外声场。

基于各向同性本构关系薄层单元的螺栓连接参数识别

针对螺栓连接建模与参数识别问题开展研究。基于各向同性本构关系薄层单元理论,提出螺栓连接结构接触面力学性能识别方法。对单个螺栓搭接及多个螺栓搭接两种结构分别进行有限元建模,忽略螺栓质量、螺孔影响,搭接界面采用各向同性本构关系的薄层单元模拟。根据试验模态参数构造优化问题,识别搭接界面薄层单元材料参数。结果表明,两种螺栓连接结构前四阶弯曲模态频率计算精度较高,薄层单元能准确反映接触界面力学性能。该方法适用于单个螺栓及螺栓较密集工况动力学精确模拟。

蜂窝夹层复合材料不确定性参数识别方法

提出蜂窝夹层复合材料不确定性参数识别方法。采用三明治夹芯板理论建立铝蜂窝夹层结构的初始有限元模型,其中芯层等效弹性参数由均匀化方法计算。据芯层结构及相对灵敏度分析,选存在不确定性且对动态特性敏感性较大的面外剪切模量及面板厚度为待识别参数。对6块铝蜂窝复合材料板进行自由-自由边界条件下动态试验,获得试验模态参数的均值及标准差。据试验结果采用所提方法识别铝蜂窝夹层板不确定性参数。结果表明,对存在不确定性参数的铝蜂窝夹层复合材料用该方法能准确识别参数的均值及标准差,并建立具有准确统计意义的动力学模型。

惯性导航平台橡胶减振器斜角布置方法

为缩减惯性导航平台的共振带宽并抑制平台角偏移,以减振系统三向等刚度为技术目标,分析了平台减振器传统布置方式的缺点,提出将8个减振器在平台台体顶端部位斜角布置,系统满足振动解耦的条件且符合三向等刚度要求,并采用有限元模型进行了数值仿真。模态分析结果表明,改进布置方式后,平台系统3个线振动固有频率以及3个角振动固有频率基本相等,系统的共振频率点由传统布置方式的4个降低至2个,且共振频率点覆盖的频带宽度大幅降低。随机振动分析显示,采用斜角布置方式后平台加速度响应均方根值降低了30.09%。由此可见,平台减振器斜角布置方式与传统布置方式相比,在缩减共振带宽、降低振动量级方面具有明显优势。

基于摄动法的不确定性有限元模型修正方法研究

开展了考虑不确定性的有限元模型修正方法的研究。基于摄动法推导了待修正参数均值和协方差矩阵的迭代格式,其中协方差的迭代格式包括是否考虑试验数据与修正参数之间相关性的两种形式。在理论研究基础上开展数值仿真研究,实现了不确定性有限元模型修正的摄动法,并研究了试验数据样本数量对修正误差的影响。仿真结果表明,该方法适用于解决系统参数与试验数据存在不确定性的模型修正问题,试验样本数量对待修正参数标准差的修正精度影响较大;忽略试验模态参数与待修正参数不确定性之间的相关性,能够避免计算二阶灵敏度矩阵,在保证修正结果准确性的前提下减少计算量。

基于动态子模型法的结构动响应预示方法

研究了基于动态子模型法的结构动响应预示方法基本理论,并建立了可应用于复杂切割边界条件下的匹配插值方法.首先以壳-壳及壳-体2种子模型为研究对象,探究动态子模型法在2种模型中的动响应分析精度及计算效率.以复杂卫星模型为研究对象,验证了动态子模型法在复杂结构中的应用性.研究结果表明:在保证局部运算精度的情况下,子模型法可以极大幅提高运算效率;壳-壳子模型法和壳-体子模型法通过1层切割边界节点和3层切割边界节点即可保证较高响应预示精度;在复杂结构中整体模型网格与子模型网格大小相差较大的情况下,子模型法仍能获得较理想的响应预示结果.

基于FEM-MODENA的加筋板声-固耦合分析

模态能量分析(MODENA)是近年发展的研究声-固耦合问题的新方法。结合有限元法(FEM),形成基于FEM-MODENA的适用于复杂结构的声-固耦合动响应分析方法。以规则的平板-长方体声腔耦合系统为研究对象验证FEM-MODENA方法的准确性和有效性,然后将该方法应用于复杂加筋板-声腔耦合系统的动响应分析中。结果表明:FEM-MODENA对复杂声-固耦合系统的振动能量响应预示具有较好的精度,是一种可靠的动响应分析手段;对于系统在局部分析频段内的振动响应预示,FEM-MODENA仍可给出较为精确的结果。

基于模态叠加法的面压载荷与基础激励等效方法

基于模态叠加法,将随机面压载荷等效为随机基础激励,为薄壁构件的振动台试验替代成本较高的噪声试验提供依据.该方法要求等效前后2种载荷作用下主模态位移一致,将单源载荷等效这一超静定问题合理简化为静定问题.以炭/炭复合材料悬臂板为研究对象,来验证载荷等效方法的有效性.分析结果显示,在随机面压载荷及等效随机基础激励作用下,板上典型部位随机正应力响应的功率谱密度高度吻合,在分析频段内危险点处x轴向正应力响应均方根分析误差低于1%,分布在板上的5个响应点处x轴向正应力响应均方根分析误差低于2%.该方法能有效地将随机面压载荷等效为基础激励,保证等效前后2种载荷作用下薄壁构件的随机动应力响应在频域及空间域上的分布一致性.