有限元模型修正算法及其在航天器動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,有限元分析(FEA)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程的各個(gè)領(lǐng)域,成為工程部門進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析,研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性、評(píng)估結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要手段之一。然而,由于有限元本身存在著大量理論假設(shè),并且在建模過程中存在著結(jié)構(gòu)簡化、材料特性不確定以及結(jié)構(gòu)連接條件失真等一系列因素,使得有限元分析模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在著必然的誤差,分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間往往具有一定的差距。特別是在航空航天領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)要求越來越大型、復(fù)雜和高速度,各種輕質(zhì)、耐

2、高溫的復(fù)合材料也開始大量運(yùn)用,使得這一問題更加突出,利用有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、預(yù)估結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性變得更加困難。
　　針對(duì)上述問題,上世紀(jì)中期,在航空航天領(lǐng)域首先提出了利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型進(jìn)行動(dòng)力修改的有限元模型修正技術(shù),引起了廣泛關(guān)注并迅速成為結(jié)構(gòu)力學(xué)反問題研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文綜合分析了該技術(shù)的研究成果,根據(jù)推導(dǎo)過程和解決思路的不同將算法劃分為直接有限元模型修正和基于優(yōu)化的有限元模型修正兩類,并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)這兩類算法在復(fù)雜

3、航天器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用展開了研究,主要工作內(nèi)容如下:
　　首先,針對(duì)復(fù)雜的航天器結(jié)構(gòu),對(duì)直接有限元模型修正方法進(jìn)行了研究。結(jié)合航天工程中航天器結(jié)構(gòu)普遍進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn),重點(diǎn)研究了基于基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有限元模型修正方法。根據(jù)算法特點(diǎn)和工程實(shí)際,引入了 IRS縮聚方法對(duì)模型進(jìn)行自由度匹配,并將算法修正的對(duì)象由系統(tǒng)矩陣改進(jìn)為結(jié)構(gòu)的物理參數(shù),防止了修正后物理意義的丟失及由縮聚引起的計(jì)算混亂,針對(duì)工程中靈敏度分析的計(jì)算困難,綜合分析工程實(shí)際

4、情況,采用差分方法進(jìn)行替代,提高了計(jì)算效率,方便了工程應(yīng)用。
　　其次,分析研究了基于優(yōu)化的模型修正方法,對(duì)粒子群優(yōu)化(PSO)算法及其在模型修正中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。針對(duì)PSO算法極易陷入局部最優(yōu)的缺陷,提出了多族群粒子群優(yōu)化算法(MRPSO),該算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力,能極大地降低搜索陷入局部最優(yōu)的概率。將該算法引入到模型修正領(lǐng)域,利用MRPSO算法對(duì)某型號(hào)導(dǎo)彈全彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化修正,并與PSO算法、Nastran的優(yōu)化功能

5、進(jìn)行了對(duì)比,修正后結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型都有了非常明顯的改善,MRPSO算法具有更好的優(yōu)化效果,證明了這幾種優(yōu)化的有效性及工程應(yīng)用價(jià)值。
　　再者,對(duì)高速飛行器結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)系統(tǒng)的模型修正問題進(jìn)行了研究,介紹了一種最新發(fā)展的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)——多層防熱承力一體化結(jié)構(gòu)。制作了一個(gè)該結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)四方形板,并對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn),分析其動(dòng)力學(xué)特性,最后,利用MRPSO算法以及Nastran的優(yōu)化功能分別對(duì)該結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行了優(yōu)化修正,大大提高了有

6、限元模型的計(jì)算精度。
　　最后,針對(duì)實(shí)際工程,對(duì)某型號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確建模及動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行了研究。利用基礎(chǔ)激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)該衛(wèi)星整星結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修正,修正以后,模型的加速度響應(yīng)計(jì)算精度有了明顯的改進(jìn),均方根誤差也比修正前有了不同程度的降低,計(jì)算結(jié)果更加接近于試驗(yàn)測(cè)量值,證實(shí)了該算法對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的修正是行之有效的。同時(shí),為了方便該算法的實(shí)際工程應(yīng)用,本文利用MSC.Patran/Nastran的二次開發(fā)語言PCL和DMAP對(duì)算法進(jìn)行了開發(fā),