平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)及其載荷反演技術(shù)研究.pdf

1、具有空間點陣的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)（AGS）是一種新型高效的結(jié)構(gòu)形式，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在輕質(zhì)化、功能化方面具有多項潛在優(yōu)勢，在航空、航天工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。該結(jié)構(gòu)形式自上個世紀90年代由斯坦福大學(xué)提出以來，美、俄等航天大國的科研單位對其進行了大量研究，取得了一系列研究成果，并在航空航天飛行器上成功應(yīng)用。
　　飛行器結(jié)構(gòu)在追求輕質(zhì)化、功能化為目標的同時，還應(yīng)具有高可靠性、低成本和短地面準備周期的特點，對結(jié)構(gòu)技術(shù)和健康監(jiān)測技術(shù)都

2、提出了更高的要求。針對傳統(tǒng)檢測技術(shù)存在耗時長、成本高的缺點，斯坦福大學(xué) Chang等人提出了面向結(jié)構(gòu)健康的載荷反演的概念，該技術(shù)是要將載荷的反演和損傷的監(jiān)測集成化，在損傷監(jiān)測的同時對其載荷環(huán)境進行監(jiān)測，以此提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的效率，縮短地面準備周期，降低維護成本。
　　基于以上兩點，本文在國防預(yù)研基金的支持下，對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)及其面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的載荷反演技術(shù)進行了研究，圍繞這一主線，開展以下幾個方面的工作：
　　1、深入研

3、究了復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制造工藝與設(shè)計方法，基于拉擠－互鎖格柵工藝，建立了一個復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制作演示，在對加帽增強格柵工藝進行研究的基礎(chǔ)上，提出了蒙皮增強和“T”型增強兩種工藝改進方法。借助有限元自動生成軟件 FEPG，編制了獨立運行的有限元程序，考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、工藝與成本等因素，確定了平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的初步設(shè)計準則。
　　2、考慮AGS相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的載荷反演中載荷位置的未知性，本文將最

4、優(yōu)控制的思想應(yīng)用到 AGS的載荷反演中，構(gòu)造了一個最優(yōu)化模型和誤差性能指標 J表征正向模型響應(yīng)與實際響應(yīng)輸出的差，將問題的求解轉(zhuǎn)換成誤差性能指標極值條件的獲取，應(yīng)用平滑算法和模態(tài)跟蹤算法實現(xiàn)了問題的求解，并通過算例研究了兩種算法作為反向求解器的優(yōu)劣。借助分布式響應(yīng)的功率梯度云和誤差性能指標極值點的線性搜索，提出了一套由粗到精的載荷定位方法，實現(xiàn)了載荷位置和載荷時程的同時確定。文章還對反演過程中適定性問題進行了討論，并對誤差的性質(zhì)和來源進

5、行了分析和討論。研究表明應(yīng)用最優(yōu)化方法的載荷反演理論在確定復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的外載時具有較高的精度，突出的優(yōu)勢是避免了傳統(tǒng)載荷反演技術(shù)中復(fù)雜的傳遞函數(shù)構(gòu)造和卷積求解，實現(xiàn)了載荷位置和時程的同時確定，變換正向響應(yīng)模型還可以將該方法應(yīng)用于其他反問題的求解。
　　3、應(yīng)用最優(yōu)化方法的載荷反演在實現(xiàn)過程中一個重要的核心技術(shù)是正向響應(yīng)模型的構(gòu)造，正向響應(yīng)模型的好壞直接決定著計算的精度與計算的效率。本文基于均勻化理論和Smear方法，改進了復(fù)合

6、材料格柵板結(jié)構(gòu)的等效剛度模型，應(yīng)用非對稱 Whitey理論建立了橫向載荷作用下復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的正向響應(yīng)模型，給出了模型的狀態(tài)空間表達式，并對模型中截斷階數(shù)、時間步長等對計算精度的影響進行了研究。實驗和算例研究表明本文所建立的正向響應(yīng)模型計算快捷，具有較高的精度，為載荷反演和動態(tài)優(yōu)化這類需要多重迭代計算的問題求解提供了新思路。
　　文章最后針對一個菱形格柵板結(jié)構(gòu)和WIM的動態(tài)載荷時程反演和定位進行了實驗研究，對本文所提出的理論和方