基于灵敏度分析的复合材料组分参数识别方法

为了获取准确的复合材料细观模型,提出了一种复合材料组分参数识别方法。在细观单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）有限元模型基础上,构造静态位移场对复合材料组分弹性参数的灵敏度矩阵,以测量位移和有限元计算位移差的二范数为目标函数,针对待识别参数量纲差异较大的问题,利用相对灵敏度提高材料组分弹性参数识别的精度和效率。以纤维均匀分布的复合材料平面模型和纤维随机分布的复合材料实体模型为研究对象,验证所提出组分参数识别方法的有效性和准确性。此外,研究了测点数目及测量误差对识别结果的影响。结果表明：本文提出的复合材料组分参数识别方法在测点数目变化和测量误差影响下仍然稳定。     

2.5维C/SiC复合材料弹性参数不确定性识别方法研究

提出了一种2.5维C/SiC编织复合材料弹性参数不确定性识别方法。采用刚度平均法获得复合材料等效弹性参数理论预测值。选取对结构动态特性影响较大的3个弹性参数E11,E22和G12作为待识别参数;在确定性识别结果基础上,采用拉丁超立方体采样构造随机试验样本,开展不确定性参数识别方法仿真研究。仿真结果表明,针对考虑弹性参数不确定性的2.5维C/SiC复合材料,采用所提出的方法能够准确识别材料弹性参数的均值与标准差,建立反映实际结构动态特性统计意义的精确动力学模型。     

2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法研究

以大型商业有限元软件NASTRAN为计算平台,提出了基于模态试验结果的2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法。基于复合材料板的模态试验结果,采用模型修正的思想构造优化问题,其中目标函数定义为实测模态频率与计算频率之差的平方和,将以刚度平均法获得的复合材料弹性参数的理论预测值作为优化问题的初值,充分利用了材料参数的先验信息,然后对材料参数进行灵敏度分析,通过迭代求解识别出复合材料板的弹性参数。识别后,C/SiC复合材料板第1-4阶模态频率的复现精度明显提高,并能保证第5-8阶模态频率的预示精度。研究结果表明,方法能准确识别2.5维编织C/SiC复合材料的弹性参数,并为复合材料等效建模以及进一步动态特性研究提供参考。     

玻纤增强注塑件的均匀化弹性力学参数研究

基于均匀化方法,根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征,建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE),通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数,与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明,通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布,所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时,玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度,拉伸方向的等效模量先微幅减小,再迅速降低,而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性,能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。     

T型裂纹梁的自振特性分析

从二维弹性力学出发,采用Chebyshev-Ritz法研究含单裂纹T型梁的自振特性。根据弹性理论中应变相同且总内力不变原则,利用转换截面法将T型截面梁等效为由两层不同材料特性组成的矩形截面梁。将等效后的梁沿裂纹和层界面划分成四个子域。使用Rayleigh-Ritz法得到各子域的振动特征方程,结合子域间界面处的位移连续条件导出整个T型裂纹梁的振动特征方程。采用Chebyshev多项式构建各子域的位移试函数,由Chebyshev多项式的正交完备性可获得快速收敛解。与实际T型截面梁的有限元分析结果对比验证了该方法的正确性。以两端固支T型裂纹梁为例,分析了裂纹位置和裂纹深度对结构振动特性的影响。     

基于实测频响函数主成分的在役网架损伤识别方法

鉴于从实际网架动测中得到的频响函数已受到噪声的污染,会使模态分析出现较大的误差,提出了基于实测频响函数和主成分分析的网架损伤识别方法:用网架实测的频响函数数据作为损伤识别的基本变量,建立损伤识别矩阵,通过主成分分析和变量重构对频响函数进行减消噪处理,利用重构的频响函数前几阶主成分,在低维空间中对损伤信息进行分析、提取,并通过多元控制图,来识别网架的损伤。该方法不需要模态参数,避开了模态参数误差所引起的损伤识别不准问题,不需建立力学模型,对网架边界约束条件和结构型式没有特别的限制。为了验证该方法的可靠性,在试验室完成了足尺网架模型在不同损伤情况下动测试验。结果表明,所提出的损伤识别方法简便可行,结果可靠,尤其对噪声环境下和具有一定非线性网架的损伤识别有良好的适应性。     

飞行器跨声速段肩部脉动压力等效预示方法

基于锥-柱形飞行器肩部过渡段在跨声速阶段的脉动压力分布特征及现有的飞行遥测加速度响应数据,提出一种适用于此外形特征飞行器的脉动压力等效预示方法,通过悬臂梁结构数值仿真验证方法的有效性和准确性;然后将该方法应用于某型飞行器,把实际分布形式的随机脉动压力等效为集中力形式,利用有限元软件计算得到的频响函数信息和飞行遥测加速度响应进行脉动压力识别,未参与识别过程的加速度响应进行正向校验,结果表明提出的方法可以准确地预示飞行器跨声速段脉动压力环境,对高速飞行器脉动压力预示的工程研究有一定的参考意义。     

舰用燃气轮机框架模型的模态参数识别

本文采用一次有理正交多项式－多模态曲线合法对一舰用燃气轮机框架模型进行了实验模态分析，以Ｆｏｒｓｙｔｈｅ复合交多项式作为频响函数的理论值，用实测的频响函数建立系数矩阵，来寻找使目标函数最小的最优值，本文在ＨＰ９８２６微机上建立了建立了测试，数据采集及参数识别等系统识别软件，给出了具有工程实用意义的前五阶振动模态参数，识别结果和有限元计算相比较，令人满意。     

黏弹性隔震系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能隔震系统响应的通用解析解。对于设置支撑的实用黏弹性阻尼器做等效变换,并建立隔震结构系统的运动方程,在非扩阶空间上获得系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非正交模态叠加精确解。基于地震动的强度非平稳和频率非平稳,获得了耗能隔震结构位移、速度,阻尼器受力、受力速度,支撑位移、速度以及阻尼器位移、速度的非平稳均方响应通用解析表达式,并具体得到经典均匀与非均匀调制非平稳随机地震激励和C-P完全非平稳地震动功率谱模型的具体响应解析解。通过结构系统各响应基于该方法的频响函数与直接求解的频响函数对比验证了该方法的正确性。该分析方法的建立为设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析乃至抗震设计方法的研究提供了一套新的分析途径。     

一类考虑温度效应的截面插值梁模型

提出了一种截面插值梁模型,利用该模型求解梁在非均匀热载荷作用下的动静态响应,解决了传统梁理论无法处理受不均匀温度场的梁的问题。利用拉格朗日插值函数对梁单元的截面和轴向分别插值,构造梁的位移场。将位移场代入热弹性动力学方程,得到单元应变和应力,再依据虚功原理推导出单元刚度矩阵、质量矩阵以及等效节点载荷列阵,求解得到热应力。利用热应力的横向剪切力更新单元刚度矩阵,计算梁在热载荷作用下的振动特性。计算结果表明,该方法得到的结果与实体单元模型结果吻合,并且更易于处理受非均匀热载荷作用的细长结构,同时能很好地反映截面的形状、受载及响应结果。     

压电复合材料正交层板的精确理论

基于一个六自由度的位移场和电势场, 建立了压电复合材料层板的控制方程。在简支边界条件下, 得到了正交矩形压电复合材料层板的解析解。该理论是一个等效单层理论, 控制方程的变量仅六个, 且不随层数变化, 使解的数学过程简洁。在该理论中, 决定精度的位移分布函数和电势分布函数由三维应力和静电平衡方程的特解来确定, 使之满足压电层板界面连续条件与板面力及电条件。算例验证了本文中等效单层理论的高精度。     

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铝蜂窝夹层板不确定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。     

识别动力减振镗杆主系统等效参数的数学计算方法

采用动力减振镗杆是解决深孔加工颤振的有效技术途径,为设计减振镗杆内部吸振器的最优参数,需要识别镗杆主系统在吸振器安装位置的等效质量和等效刚度。针对采用实验和仿真的传统等效参数识别方法效率不高的问题,提出一种新的简单高效的数学计算方法:基于欧拉—伯努利梁理论和分段连续条件,将镗杆视为非等截面梁,建立主系统模态的数学模型,求解出固有频率和固有振型函数;再根据最大动能不变原则,推导出了主系统等效质量的求解公式;求解出镗杆主系统所有等效参数。数值仿真结果表明,新的数学计算方法可简便高效地计算出动力减振镗杆的主系统参数,从而提高动力减振镗杆的设计效率,同时也适用于其他不等截面梁等效动力学参数的求解。     

复合材料湿热弹性性能的变分渐近细观力学模型

基于变分渐近均匀化理论框架建立可预测复合材料有效湿热弹性性能和单胞内局部场分布的细观力学模型。从推导复合材料湿热弹性自由能泛函出发,利用细、宏观尺度比作为小参数对自由能泛函的主导变分项进行渐近分析,得到湿热弹性问题的系列细观力学模型和局部场分布的重构关系,并通过有限元数值方法实现。与ABAQUS有限元算例的对比表明:构建的细观力学模型可有效准确地预测复合材料有效湿热弹性属性和局部场分布。      

基于裂纹诱导弦挠度的Timoshenko梁裂纹无损检测

研究了基于Timoshenko梁静态挠度识别梁中裂纹位置及损伤程度的计算方法。首先,将梁开闭裂纹等效为单向旋转弹簧,利用Delta函数和Heaviside函数,得到了具有任意开闭裂纹数目梁的等效抗弯刚度,求得了开闭裂纹Timoshenko梁弯曲变形的显式闭合通解,给出了闭合通解待定常数的迭代求解方法。其次,建立了裂纹诱导弦挠度函数,证明了在裂纹处裂纹诱导弦挠度曲线斜率存在突变,为裂纹位置识别提供了理论依据。在此基础上,给出了裂纹等效旋转弹簧刚度的近似计算公式。最后,通过数值试验,将所建立的方法分别应用于裂纹位置及损伤程度已知的简支和固支Timosheoko梁裂纹位置识别和损伤程度计算,结果表明该文建立的裂纹损伤识别方法不仅具有一般的适用性,而且具有较高的精度和可靠性。     

由状态变量识别板梁桥上移动荷载

将板梁桥等效为正交异性板,车辆等效为等间距常速度在正交异性板上移动的一组荷载。根据弹性板理论、HALMITON'S原理和模态叠加原理,得到了系统状态方程,并基于规则化技巧推导了状态空间移动荷载识别方法。数值模拟和试验结果表明,该方法用挠度或应变识别车辆的轴重和轮载都是有效、可行的。     

基于均匀化的缝合夹芯复合材料建模方法研究

针对缝合式夹芯复合材料结构动力学建模问题开展研究,通过对复合材料代表性单元中上下面板、芯层分别施加周期性位移边界条件,根据应力平均获得相应的等效弹性参数,将夹芯结构等效为3层均质的正交各向异性层合板模型。将根据所提方法建立的层合板模型频率计算结果与精细化模型、单层板模型计算结果进行对比,验证了基于均匀化方法的缝合式夹芯复合材料动态建模精度。基于该建模方法,进一步研究缝合密度对宏观弹性参数的影响。结果表明,缝合密度对夹芯复合材料面内等效性能影响较小;随着缝合密度的增大,厚度方向等效弹性模量显著提高。     

基于有限元法的正交各向异性复合材料结构材料参数识别

以大型商用有限元软件ABAQUS为计算平台,提出了正交各向异性复合材料结构材料参数的识别方法。将材料参数识别的问题转化为极小化目标函数的问题,其中目标函数定义为测量位移与有限元计算的相应位移之差的平方和。采用Levenberg-Marquardt方法极小化目标函数,其中灵敏度的计算基于复合材料的有限元离散结构的求解方程对识别的材料参数求导。数值算例表明本文中提出的方法是有效的。在识别参数过程中,参数的初值以及搜索范围的确定对于识别结果有着重要影响。因此必须充分利用材料参数的先验信息。ABAQUS是高效可靠的商用有限元软件,提出的参数识别方法基于这类商用软件,因而该方法有很强的实用性。     

动载荷时域半解析识别方法

基于模态空间转换、离散数据最小二乘拟合与模态叠加原理,提出一种动载荷时域半解析识别方法。通过模态空间转化将动载荷识别问题转化为模态坐标函数识别问题,以结构特性参数与已知自由度上的动响应为输入,利用最小二乘拟合得到模态坐标的拟合函数,根据叠加原理与结构动力学控制方程,识别出结构时域动载荷。分别用计算仿真与试验测试得到的时域加速度响应作为输入,实现时域动载荷的识别。识别结果与真实动载荷对比表明,本文的识别方法能较准确地识别结构动载荷值及载荷作用部位。     

分布动载荷频域识别的试验动标定方法研究

分布动载荷识别是工程中最为复杂也亟需解决的结构动力学逆问题，通常可以转化为正交多项式系数的识别，从而衍生出了动标定技术。传统的仿真动标定方法是基于有限元仿真模型来实现的，然而仿真动标定方法存在模型误差，导致载荷识别精度不高。因此本文基于 Legendre 正交多项式和 Gauss?Legendre 积分提出了分布动载荷频域识别的试验动标定方法。该方法的关键是通过测量有限的高斯点和响应点间的频响函数来完成分布载荷识别过程中的动标定，克服了传统标定在试验时无法加载正交多项式载荷计算标定矩阵的局限性，同时避免了模型误差对标定矩阵精度的影响，大大提高了载荷识别的精度。为了验证该方法的有效性和精度，将本文所提出的试验动标定方法与现阶段已有的仿真动标定进行了对比分析，并讨论了不同高斯点数对识别精度的影响及抗噪性能；此外，还通过相应的试验进一步验证了该方法的可行性与工程适用性。