航空发动机整机动力学建模及模型确认

针对航空发动机整机结构部件多、连接状态复杂、动力学特性预测困难的问题,提出了基于“超模型”虚拟测试数据的航空发动机整机结构分层次动力学建模及模型确认方法。建立各单个部件的简化模型,在初始无样机时,基于超模型的虚拟测试数据对单个部件简化模型进行动力学模型确认;基于两两连接部件超模型的虚拟测试数据,实现确认后的简化模型两两连接界面的修正与确认,连接部件超模型的虚拟测试数据通过部件的超模型与螺栓连接超模型建模理论获得;建立转子组件的动力学模型,并基于参考数据进行修正与确认;将确认后的转子模型和考虑连接的机匣系统模型进行组合,获得整机动力学模型。以某型涡扇发动机为例,采用该方法建立了其整机动力学模型。确认后的发动机整机简化模型的临界转速预测值与实际发动机整机测试的临界转速参考值对比,误差在10%以内,验证了方法的有效性。

结构动力学有限元模型修正的发展——模型确认

结构动力学有限元建模精度问题是力学分支中受到广泛关注的研究课题之一。以提高建模精度为目标的有限元模型修正技术的发展日臻完善,并已逐步在工业界得到应用。然而模型修正技术未能全面解决建模精度中存在的问题。近几年以美国三大国家实验室为代表的科技人员提出了模型确认技术,以希望全面解决结构动力学建模精度问题。本文以模型修正为基础,讨论模型确认的相关问题以及与模型修正的关系。

基于健康监测的连续刚构桥有限元模型确认(Ⅰ)——基于响应面法的有限元模型修正

有限元模型修正不能考虑不确定性和进行响应预测,而模型确认是模型修正的发展,该系列论文建立了桥梁有限元模型确认的基本方法。主要讨论模型确认的关键步骤之一——基于响应面的桥梁有限元模型修正方法,包括试验设计、参数筛选、响应面模型选择以及模型检验等;基于下白石大桥的实时健康监测,利用响应面方法成功地对下白石大桥的有限元模型进行修正。结果表明:有限元模型修正后的计算结果与实测结果比较吻合,最大相对误差不超过6%,修正后的有限元模型可以进一步应用于模型确认,对桥梁健康监测和安全评估有益。

基于模型确认的结构概率损伤识别方法研究进展

基于静动力特性改变的结构损伤识别方法在过去几十年中得到了长足发展。相对于确定性的损伤识别,基于概率统计理论框架的损伤识别方法能够更好地反应损伤问题的不确定性本质,是一种非常有发展潜力的损伤识别方法,有望解决当前大多数损伤识别方法对于测量误差和噪声敏感的问题,从统计意义上实现复杂工程结构健康监测早期损伤的诊断。在回顾结构确定性损伤识别方法的基础上,主要介绍不确定性损伤识别方法和有限元模型确认的研究进展,分析比较各种方法的优点和不足之处;最后对有待进一步研究的问题和基于模型确认的概率损伤识别方法发展趋势进行展望。

结构动力学模型确认问题的核密度估计方法

将核密度估计方法成功用于解决结构动力学模型确认的挑战问题,进一步明确模型确认在结构动力学中的实施过程。在美国圣地亚国家实验室提出的结构动力学模型确认挑战问题中,由于子结构与整体结构的弱非线性连接以及子结构个体差异引起的统计特性并不满足标准的概率分布,因此采用核密度估计方法建立子结构的概率模型,并使用核主元分析进行降维处理来提高核密度估计的计算效率;在子结构概率模型的基础上,使用校准试验数据对模型的准确度进行定性验证,同时使用确认试验数据对模型的精度进行定量评估;最后把确认过的子结构模型用于整体认证结构的评估以及最后目标模型的预测中,得到了与其他研究者相一致的结果。研究表明核密度估计方法是一种解决结构动力学模型确认问题的有效方法。

基于健康监测的连续刚构桥有限元模型确认(Ⅱ)——不确定性分析与模型精度评价

在下白石连续刚构桥基于响应面法的模型修正基础上,首先介绍模型确认过程试验/计算相关性分析的若干确认准则,分析模型与试验不确定性的来源;然后假定随机变量服从正态分布,采用蒙特卡罗有限元分析方法进行不确定性分析和量化,并评价模型的预测精度,实现连续刚构桥的有限元模型确认。结果表明:确认后的下白石大桥有限元模型能够很好地反映下白石大桥的真实状况,可供桥梁健康监测、损伤诊断和安全评估参考。

结构动力学有限元模型确认方法研究

随着结构动力学求解问题的复杂化,有限元分析方法越来越起着关键作用。由于许多结构系统本身存在不确定性因素,试验数据存在随机误差,而计算的三类误差也会包含着不确定性误差,如何用有限的试验来修正和检验计算模型,最后得到具有一定置信度的有限元模型,即模型确认,在工程领域越来越得到关注。在与模型修正比较的基础上,详细讨论了模型确认的主要研究内容,并结合两个应用实例,讨论模型确认的总体思路与实现方法。

基于SVR方法的有限元模型确认中不确定性建模研究

针对模型确认中结构有限元模型不确定性建模问题,采用D最优实验设计方法生成无明显分布规律的样本空间,提出用支持向量机回归方法建立结构响应和不确定参数之间的映射关系,给出了基于SVR方法进行不确定建模的一般步骤,引入了三级检验对支持向量机响应面模型的精度和泛化能力进行全面评价,以GARTEUR模型为仿真算例,比较了向量机响应面模型和幂多项式响应面模型,结果证明了该方法对模型的不确定性建模问题具有较高的精度,具有较好的推广性。

基于Monte Carlo法的结构动力学模型确认

提出一种蒙特卡洛模拟(MCS)与多元回归分析相结合的有限元模型确认方法。采用基于动态响应面法生成的代理模型改进直接MCS,用一种逐步迭代的方式改进代理模型保证模型确认的精度。传统欧氏距离/马氏距离从不同方面描述了两点间距离,然而如果在距离准则中能够同时考虑两者则会更全面。在相关性分析过程中,综合欧氏/马氏距离的特点,采用了一种欧氏/马氏距离相结合的不确定量化方法(距离判别方法),并给出了基于此指标的迭代收敛判断准则。算例仿真结果表明:所提出的有限元模型确认方法和此距离判别方法的使用,能比较大地降低MCS的计算量并能得到满意的模型确认结果,迭代收敛的稳定性和精度都有了提高。

Kriging响应面代理模型在有限元模型确认中的应用

结合Kriging理论,实现Kriging响应面代理模型在有限元模型确认过程中响应预测的应用。讨论模型验证与确认的基本思想,初步提出有限元模型确认流程;以Garteur benchmark飞机结构瞬态响应仿真为例,建立加速度响应最大值Kriging响应面,通过蒙特卡洛方法,实现有限元模型参数不确定性正向传递;采用核密度估计建立加速度响应最大值概率分布,计算响应量置信区间上下限。结果表明,Kriging响应面能准确对有限元模型响应进行预测,可为有限元模型确认过程提供很大便利。

多输出模型确认中的混合矩指标

在不确定性条件下,同时考虑到多维输出之间的相关关系和单输出的均值,构建由多输出数学期望列阵和协方差矩阵组成的多输出模型确认局部混合矩指标和全局混合矩指标。其中局部混合矩指标包括绝对指标(LA-3M)和相对指标(LR-3M),它们适合单点位置的多输出局部模型确认;全局混合矩指标也包括绝对指标(GA-3M)和相对指标(GR-3M),它们适合多点位置的多输出全局模型确认。通过数字算例和工程算例,所提指标可行有效,能够方便地度量计算模型和物理实验之间的差异程度。

轴对称结构的模态振型描述和模型确认

利用轴对称结构模态振型的Zernike矩能够有效区分重根模态的特点,提出了一种基于Zernike矩函数的相关性分析方法以及基于Zernike矩函数灵敏度的模型修正方法。以某航空发动机压气机轮盘为例,采用轴对称结构的模态振型Zernike特征矩,通过模态测试数据与有限元模型预测结果的相关性分析,克服重根模态对相关性分析的影响,准确地匹配模态对;同时采用基于Zernike矩函数的振动模态对于设计参数的灵敏度,修正有限元的模型修正,使压气机的设计模型的动力特性预测与实际结构的测试相一致,验证了该方法的可行性与优越性。

以冲击响应谱为响应特征的有限元模型确认

冲击响应谱已经成为冲击问题分析的最有效工具。由于冲击问题的复杂性,如冲击信号一般频带较宽,而且冲击作用时其阻尼较模态实验有较大变化,冲击响应的相位存在很大的随机性等,因此如何得到精度可靠的冲击响应,从而求出其冲击谱;以及如何对计算仿真的冲击响应与实际测量的冲击响进行比较和确认,是冲击响应谱仿真计算的两个关键问题。针对上述问题,作者使用子结构模型修正的方法,根据冲击信号的频域特点,对整体复杂结构的各个子结构进行有限元建模和修正,然后用模态叠加法求解冲击信号的时域响应,进而使用改进的递推数字滤波法求得冲击响应谱;选择冲击谱的均方差和时域响应的主分量分解两种确认准则进行计算与实验比较和确认。通过某车架模型受横向冲击的计算和实验分析对研究方法进行了检验。

基于区间技术的模型确认方法及应用

提出一种应用于试验数据较少的模型确认方法,阐述模型确认的通用实施步骤和确认试验的作用。用区间变量量化模型的不确定量,使用区间算法求解数值模型的响应结果。以区间数值计算结果和试验结果的累计分布函数之间的面积为基础,计算准则参数并评价确认结果。针对不能满足确认指标的模型参数,建立以确认指标作为优化目标,试验参数作为约束条件的优化模型。通过求解优化问题,可获得模型参数的修正值。将方法分别应用在圣地亚静力学问题和圣地亚热传导问题的模型确认中,经过模型确认和修正,获得了可信的预测结果。

爆轰流体力学模型敏感度分析与模型确认

验证、确认与不确定度量化(V&V&UQ)是评估物理模型可信度和量化复杂工程数值模拟结果置信度的系统方法.验证是要回答数值模拟程序是否正确求解了物理模型和程序是否正确实施或给出求解模型的误差、不确定性大小及使用范围,确认是要通过数值结果回答物理模型是否反映了真实客观世界或反映真实客观世界的可信程度.文章围绕爆轰流体力学模型,剖析了模型中不确定性因素,给出了影响模拟结果不确定性的关键因素清单,并对其开展了敏感度分析,确认了模型的适应性.

圣地亚结构动力学问题模型确认与评估

考虑模型的不确定性与建模误差等因素,是现代模型确认的研究特点.为了研究现代模型确认过程中的建模、模型确认准则等核心问题,以圣地亚提出的结构动力学挑战问题为研究实例,采用正态分布和非参数核密度估计研究了参数不确定性建模,并且通过所采用的两条确认准则对所建立的数学模型进行了确认研究,并最终得到了较好的数学模型.通过该实例的具体开展,发现联合使用多条确认准则可对所建原始模型进行更科学的评估确认.

仿真模型确认中的数据有效性分析

给出在仿真模型确认中的数据有效性分析方法.对于测量数据可采用统计的方法,如Grubbs准则和t检验准则;在小样本未知分布的情况下,可采用非统计方法,如信息熵判别法和灰色理论判别法.通过实例说明这些方法的应用.这些方法的使用有助于仿真模型确认的研究.

气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析

研究了气动弹性系统的不确定性建模和鲁棒颤振分析问题。将结构的不确定性考虑为参数形式,非定常气动力的不确定性考虑为参数和未建模动态两种形式,建立了不确定系统的线性分式变换模型。分别使用基于Carathe-dory-Fejer插值定理和Nevanlinna-Pick插值定理的模型集检验方法进行了模型确认,在时间域和频率域中对模型集的有效性进行了验证,确定了不确定性的幅值。对于模型确认得到的不确定气动弹性系统,使用μ分析方法进行了鲁棒颤振分析。计算中,飞行速度是作为给定参数而不再是作为摄动变量,由此得到的鲁棒稳定性边界是匹配点解。仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度,表明了方法的有效性。

随机-区间混合不确定性多输出模型确认指标

为解决随机和区间变量共存条件下的多输出模型确认问题,提出了一种新的模型确认指标.首先,依据概率方法和区间理论,分析了随机输入变量在实现值条件下随机-区间混合不确定性多输出模型的特点;然后,将基于马氏距离的随机不确定性多输出模型确认方法,推广到随机-区间混合不确定性因素影响下的多输出模型确认之中,定义了一种新的多输出模型确认指标.该指标运用模型输出响应量与试验输出响应量的上、下界马氏距离分布函数曲线之间的面积差异,度量随机-区间混合不确定性条件下多输出模型预测结果与试验结果之间的不一致性.最后,讨论了所提指标的数学性质,给出了指标的计算方法和步骤,通过一个数值算例和一个工程算例验证了指标的正确性与有效性.研究结果表明,当样本数据量充足时,新的模型确认指标能够有效地度量模型输出响应量与试验结果之间差异程度,正确地判断不同多输出模型的优劣,适合于随机-区间混合不确定性因素影响下的多输出模型确认问题.

基于多分辨分析的MEARTH方法及其在汽车安全仿真模型确认中的应用

针对仿真模型确认中存在的多元和动态响应问题,提出了一种基于多分辨分析的MEARTH方法,并设计了一种基于贝叶斯决策理论的分类器来综合考虑不同响应的模型确认结果,从而可对多元动态系统的仿真模型的有效性做出综合评估。通过对某汽车乘员约束系统进行模型确认表明,利用所提出方法得到的评分比传统MEARTH方法的评分更稳定,可对多元动态系统仿真模型的有效性做出合理评判。