平板型复合材料格栅结构载荷重构研究 Ⅱ: 反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构。算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备。      

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究 Ⅰ : 前向响应模型

先进复合材料格栅结构(AGS)在航空、 航天结构工程中有着广泛的应用前景。本文作者针对低速冲击载荷作用下先进复合材料格栅结构的载荷重构进行了研究。本文中研究了平板型复合材料格栅结构在横向低速冲击载荷作用下的前向响应近似模型。考虑AGS板蒙皮/肋的弯剪耦合效应和截面偏心距e, 对平板型复合材料格栅结构的等效刚度模型进行了改进。基于改进的等效刚度模型和非对称Mindlin板理论, 建立了平板型格栅结构的前向响应近似模型及其状态空间表达式, 应用傅立叶展开求解了低速横向冲击载荷作用下的结构响应, 并通过数值试验验证了该方法的实用性与可靠性。该部分研究将为平板型复合材料格栅结构的载荷重构 Ⅱ : 逆向重构的研究提供前提条件和理论基础。      

考虑模型误差的动载荷反演问题研究

动载荷反演分析技术应用于实际工程,除了受到测量响应中存在的测量误差影响外,还受到数值仿真模型与实际工程模型之间差异的影响,针对这一问题建立了考虑模型误差的动载荷反演时域分析模型,并提出了基于总体最小二乘的正则化求解方法。数值仿真表明,本文提出的方法可以降低模型误差和响应噪声带来的影响。     

基于局部密集应变响应的海洋平台冰载荷反演方法

冰载荷的现场测量工作对于描述冰载荷与海洋平台的相互作用规律十分重要。回顾了自六十年代以来的各地冰载荷的测量情况,针对在采用压力盒进行直接测量和利用结构整体响应进行间接反算的过程中存在的困难,提出了一种利用局部应变响应信息来有效反演海洋平台冰载荷的新方法,并设计了用于反演的附加套筒结构模型。阐述了反演的基本原理,从理论上分析了反演的误差来源以及误差的稳定性,并讨论了反演时载荷作用区域的判断方法和测点的布置原则。最后,通过计算机仿真的反演算例和一缩尺模型的反演实验(包括模型应变响应的动态标定)验证了这种方法的可靠性。     

最优化方法在动态载荷时程重构中的应用研究

动态载荷的时程重构是自感知智能化结构研究的重要内容。基于最优化理论提出了一种动态载荷时程的重构方法。首先基于一个模态空间的正向模型，设计一个最优化状态跟踪器并构造出性能指标J，将载荷时程的重构转变成一个两点边值问题的求解。通过求解Riccati矩阵方程实现了多输入、多输出系统的动态载荷时程的重构。相比传统的方法，该方法表现出较高的识别精度和较强的实用性，并通过算例验证了该方法的有效性。     

确定飞机最大抖振设计载荷的长期极值估计方法

确定飞机在抖振工况下的限制载荷是现代飞机动强度设计分析的关键步骤之一。运用次序统计和长期极值估计理论的极值Ⅰ型分布和Ⅲ型分布,在风洞试验数据基础上,分别应用最小二乘法和最大似然估计法进行极值模型的参数估计,并根据预设的重现期指标进行了某型飞机尾部结构抖振设计载荷的极值估计。探讨了极值分布概率模型、估计方法和样本数量对抖振载荷极值估计结果的影响。提出了实现准确有效极值估计的样本数量基本要求的指标,根据该指标可以确定最小振动响应采集时间,以指导测试方案和数据处理方法的制定。实例分析结果表明:极值Ⅲ型分布能够较好地估计抖振试验数据的极值(相对误差在±5%以内),且进行分布模型的参数估计时,最大似然法的精度略高于最小二乘法。对比分析的结果也表明,应用传统的3σ准则进行随机振动结构的限制载荷设计可能偏危险,不适于工程应用。     

采用等效重构载荷的虚拟传递路径分析

工作载荷识别复杂,传递路径描述困难等是小型航空机载装备传递路径分析（Transfer Path Analysis,TPA）所面临的难题。根据装备系统耦合特征,以有限载荷节点表征分布动态载荷区域,并运用基于传递关系矩阵的载荷反演技术重构路径点等效载荷,将无限传递路径简化为有限路径,构建了虚拟传递路径分析（Virtual Transfer Path Analysis,VTPA）模型。以燃油泵调节器为例,将4 种VTPA 模型的合成结果与振动响应分析结果进行对比,选择合成效果最佳的基于传递率矩阵的无源系统虚拟传递路径分析（Transmissibility?Based Single?body Transfer Path Analysis,TB?STPA）模型进行路径贡献量分析。结果表明垂直于安装面的路径方向对目标响应影响最大,增加辅助支撑装置能够显著降低电插座振动响应,验证了TB?STPA方法的有效性。     

一种基于最优输出跟踪的多源动态载荷识别方法

基于最优输出跟踪的基本思想,提出了一种时域内多源动态载荷识别的方法。该方法从结构动力响应出发,设计一个最优输出跟踪器并构造性能指标,将载荷识别问题转变为最优输出跟踪问题。通过Adams法求解微分方程,实现了多源动态载荷的识别,并采用L曲线法确定了性能指标中的关键参数。数值算例表明,所述的载荷识别方法能够在响应数据含有噪声的情况下,有效稳定地实现多源动态载荷的重构,具有较强的抗噪能力。     

基于精细积分的冲击载荷时域识别方法研究

假设动载荷在时间步长内为线性函数,结合精细积分法提出了一种新的冲击型动载荷时域识别方法。该方法利用系统响应构造状态空间方程组,进而建立精确的非递推连锁计算格式的时域内动载荷反演模型,它对初值不敏感,无积累误差,计算简单、精确、高效。论文对动载荷识别反问题的不适定性进行了分析,通过正则化技术克服了模型算子的病态特性和响应测量噪音的不利影响。数值仿真算例表明该识别方法在测量数据有噪音污染的情况下,能稳定有效的反演动载荷。     

Simulation study of image reconstruction for HY2-SCAT backscatter measurments and its application in retrieval of wind field in typhoon conditions

针对我国海洋二号卫星散射计(HY2-SCAT)空间分辨率不高的缺点,进行了HY2-SCAT高分辨率后向散射系数(sigma0)重构技术仿真研究,并将该技术应用到台风条件下的高分辨率风矢量反演.利用图像重构技术,分别获得了与外波束前视、外波速后视、内波束前视、内波束后视对应的高分辨率sigma0,并用于台风风矢量反演.结果表明,采用图像重构技术获得的高分辨率sigma0可更加准确地识别台风的风眼,并可获得与面元匹配技术相当的风速反演精度,但是风向反演精度有所降低.     

基于统计与粗糙集理论的飞机垂尾抖振载荷分布假设选择与评价方法

研究飞机垂尾抖振问题的主要任务之一是编制抖振疲劳载荷谱、估算飞机结构的抖振疲劳寿命并校核飞机结构的强度等,一般通过统计方法来建立其抖振疲劳载荷时程的峰(谷)值分布模型,而分布模型的优劣对确定各飞行状态下的极限工况及抖振响应的循环次数与幅值分布等信息影响显著。通过分析五种常用于描述抖振疲劳载荷峰(谷)值的概率分布假设模型：正态分布、对数正态分布、威布尔分布、瑞利分布和极值分布,给出了基于参数估计的概率分布规律,并提出了一种采用各概率分布假设所对应模型的“拟合优劣指标”作为评价和选择的依据。同时,结合各分布模型的特性对飞机抖振载荷时程处理要求的匹配程度,运用粗糙集理论确定了系统评价指标的最小分辨距离与最大分辨率,来消除由于误差引入导致的评价指标数值差异而造成的误判。算例分析表明,该方法可合理且高效地实现对飞机抖振载荷概率分布假设的正确评价与选择     

航空发动机转子在冲击载荷下的振动响应分析与试验

考虑挤压油膜阻尼器(squeeze film damper, SFD)非线性油膜力建立了转子的运动微分方程,将转子在冲击载荷下的振动响应分解为谐响应和冲击响应,分别建立了谐响应、冲击响应的有限元模型,并开展了振动响应计算分析。在振动台上开展了航空发动机转子在不同脉宽的垂向冲击载荷下的振动特性试验研究,获取了转子在冲击瞬时的振动响应,并与计算结果进行对比分析。研究结果表明：在一定范围内,转子的振动响应随冲击脉宽变大而变小;与试验结果相比,振动响应计算误差在10.44%～20.00%。研究为冲击载荷下航空发动机转子振动响应分析和试验提供了方法,具有重要的工程应用价值。     

水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形中的作用

水下爆炸产生的冲击波载荷和气泡载荷都会对水中结构产生毁伤作用。为研究水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形挠度中所占的比例,利用通用有限元软件Abaqus/Explicit对加筋板模型在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了一系列数值仿真。载荷计算采用了Geers-Hunter模型,材料本构采用了Johnson-Cook模型,将部分计算工况与试验结果比较,两者吻合较好。通过分析计算结果可以看出在气泡载荷在加筋板塑性变形中的比重主要受爆距影响,爆距越小,所起的作用越大。所以,在水下近场爆炸计算中,气泡载荷引起的塑性变形不容忽视。     

流体饱和孔隙介质参数反演的模拟退火算法

本文研究了模拟退火算法在流体饱和孔隙介质参数反演中的应用。通过计算响应数据与实测响应数据的拟合将参数反问题归结为最优化问题。由于流体饱和孔隙介质运动方程的复杂性，动力响应与材料参数之间呈复杂的非线性关系，优化目标函数是非凸多峰函数。传统的梯度类优化方法一方面受局部极值的困扰难以搜索到全局最优解； 另一方面确定搜索方向须进行复杂的参数敏度分析。为克服这些困难，本文应用模拟退火算法进行了多参数反演数值模拟，模拟结果表明了模拟退火算法的可行性和稳健性。     

基于结构加速度误差最小化的声学预测模型修正

针对FEA（有限元分析）声学预测方法,提出了基于结构加速度响应误差最小化的声学预测模型修正方法。以模态迭加法为基础,结合模态应变能模态阻尼识别和频域载荷识别原理,重构了FEA声学预测模型,通过遗传算法优化结构损耗因子,使结构加速度响应计算值与实验值误差最小化,从而识别系统模态阻尼比及激励力,实现对声学预测模型参数的修正。将该方法与传统计算方法预测结果对比,结果表明：该方法可以精确识别系统模态阻尼和激励力,提高模型预测精度。     

圆形刚性承载板载荷作用下双参数地基上多层矩形板的动力响应

提出一种考虑水平阻尼的双参数地基模型,推导了此地基模型上多层矩形板的中性面位置表达式,建立水平动载荷与垂向动载荷联合作用下多层地基板内力平衡方程,并在此基础上给出了板的运动微分方程。采用级数分解和Laplace积分变换相结合的方法,求解了圆形刚性承载板载荷作用下多层地基板的挠度解析表达式。在MATLAB软件中编写计算程序,以三层地基板为例深入分析了水平阻尼系数、摩擦系数、运动方向对板动力响应的影响。研究表明,随着水平阻尼系数的增大,板的挠度逐步减小,摩擦系数和运动方向对载荷作用面圆心处的动力响应几乎没有影响,而对远离圆心处点的挠度影响较大。     

一种逆结构滤波法的轨道车辆轮轨力识别

轮轨动态接触力对车辆运行安全性和稳定性至关重要,考虑到在实际运行条件下,轮轨力很难测量的难题,基于离散时间和动力学状态空间方程,提出了一种逆结构滤波的时域载荷识别方法。该方法以结构响应参数为输入,可实现对非最小相、非并置结构的载荷预测,解决了由于非并置逆系统的不稳定性带来的载荷识别困难。以某轨道车辆为研究对象,以轴箱位置加速度为输入条件,分别建立了10自由度的垂向振动模型和17自由度的横向振动模型,对车辆的轮轨垂向载荷和横向载荷进行了识别。识别结果与具有完全相同动力学参数的SIMPACK仿真模型结果对比,结果表明:反演模型识别出的轮轨垂向力和横向力与SIMPACK仿真结果趋势一致,且均有较强的相关性,识别精度较高;通过滚动振动试验台试验,利用一组测得的垂向加速度响应和垂向位移响应对车辆轴箱的加速度响应进行了识别,并与测得的结果进行对比,相关系数达到0.9756,为极强相关,方法能够用于运行列车轮轨力的监测和安全评估。     

失效测点影响下极地船舶结构冰载荷的有效识别方法

冰载荷是极地船舶在冰区航行时受到的一种极端环境载荷,而对船体结构的现场监测是研究冰载荷的重要途径。一般通过在船体结构上安装应变传感器直接测量冰载荷引起的应变响应;采用影响系数矩阵法根据应变响应反演识别冰载荷。然而当应变传感器无法正常工作时,识别结果的准确性将难以得到保障。通过对典型极地船舶舷侧板架结构的有限元分析,研究了测点失效对识别结果的影响。基于对“天恩号”多用途冰级船实测应变数据以及典型极地船舶舷侧板架结构有限元应变数据的深入分析,确定了测点应变的空间分布规律,并进一步提出了失效测点影响下基于最小二乘拟合的冰载荷识别方法。在此基础上,较为准确地识别出7种典型工况下的冰载荷,大幅降低了识别误差,最终验证了该方法的有效性。     

波传播法求解低频激励下水中加端板圆柱壳的振动

采用波传播法研究了低频下水中壳体的振动与响应。水中壳体由有限长加流体载荷的圆柱壳和两端的圆形端板组成,其中外部流体载荷用无限长模型进行近似处理。为了模拟推动系统的激励及船体上某一点激励,分别考虑了不同位置的轴向载荷和径向载荷,讨论了单个周向模态下的位移在总位移中的比重。主要研究了4种载荷,即作用在端板中心的轴对称载荷、作用在端板与圆柱连接处的轴向载荷、作用在连接处的径向载荷和作用在壳体中间的径向载荷,比较得出了轴对称和非轴对称、同一点不同方向载荷、同一方向不同位置载荷的响应位移的不同。此外,还研究了两端端板对不同载荷下水中壳体响应的影响,得出了端板主要抑制了壳体的较高阶模态下径向位移的结论。解析法结果与有限元法结果进行了比较,验证了该方法的正确性。     

基于贝叶斯压缩感知的复合材料结构冲击载荷识别研究

提出了一种基于贝叶斯压缩感知的新方法,对作用在复合材料结构上的冲击载荷时间历程进行识别。首先将复合材料结构冲击响应的动力学正问题表示为单位脉冲响应函数和冲击载荷的卷积分,时域离散化后获得冲击载荷向量与冲击响应向量之间的线性关系;然后采用一组高斯核函数作为基函数来表示未知冲击载荷时间历程,将冲击载荷识别问题转换为基函数系数的稀疏正则化重构问题;接着通过贝叶斯压缩感知方法来求解该稀疏正则化重构问题,由测量的冲击响应,获得基函数的最优稀疏系数,继而重建冲击载荷时间历程。对复合材料夹层结构的实验研究结果验证了所提出方法的有效性和可应用性。