结构动载荷时域识别方法及高精度和稳定性研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zhuxianwei00
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随着科学技术的飞速发展,人们对工程设计的要求不断提高,结构系统中的动载荷问题越来越受到重视。但由于技术和经济的诸多限制,实际结构所受的动载荷往往难以直接测量,在此背景下,动载荷识别问题被提出,其主要通过测得的响应信息结合系统模型来重构激励。经过国内外众多专家学者多年的潜心研究,动载荷识别技术取得了长足的进步,但目前依然存着许多问题,如识别精度低、对分布载荷、时变系统的研究不够充分等。论文主要针对载荷识别中的识别精度问题进行研究,提出了基于数值算法进行逐点修正的新方法,并基于此方法对于不同系统不同激励下的载荷识别问题进行了验证分析和研究,论文的主要工作包括:基于数值算法的函数寻根原理,结合二分法和黄金分割法推导数值修正算法的方法理论。推导Wilson-θ反分析法和拟静态算法两种方法以获得载荷初值,并分析了这两种方法各自存在的问题以及不准确的原因。利用数值修正算法对于已获得的载荷初值进行迭代修正,初步获得该方法的理论计算体系。对于单点输入的载荷识别问题,分别针对离散系统和连续系统进行数值修正算法的理论推导,主要包括单自由度和多自由度的弹簧质量块系统,以及连续的一维Euler-Bernoulli梁模型。使用大量仿真算例验证该方法的可行性以及抗噪性能,利用简支梁的正弦激励载荷识别试验来验证算法对于实际结构的载荷识别能力。对于多点输入的载荷识别问题,利用高斯消元的原理对数值修正算法进行改进,建立某一个激励与加速度响应的函数关系,以适应多点输入的载荷识别情况。运用仿真算例验证数值修正算法在多点输入情况下对于不同载荷形式的识别能力以及抗噪性能,并使用自由梁的二输入冲击载荷识别试验对数值修正算法的有效性进行验证。将识别对象从集中载荷深化为分布载荷,首先采用二维广义正交多项式来重构梁分布载荷的初值,然后利用一维正交多项式拟合分布载荷,之后利用模态叠加法计算正响应的原理来改进数值修正算法,构造正交多项式级数系数与响应之间的函数关系,以求得修正后的级数系数。使用简单梁模型的仿真算例和直升机旋翼的分布载荷识别试验对数值修正算法进行验证分析。对于参数随时间发生变化的时变系统,改进之前时不变系统的数值修正算法以适用于时变情况。针对简单的梁系统设定不同的时变条件来验证算法的识别结果,包括整体与局部的质量、刚度、阻尼的线性与非线性时变情况。建立GARTEUR飞机有限元模型,利用模态试验调整模型参数,并设定两种不同的时变情况,仿真结果证明数值修正算法对于复杂时变模型的载荷识别问题具有良好的适用性。文中还针对载荷识别问题中的一些关键问题做出了相应的研究,首先对于含有密集模态的特殊重频结构,容易发生频率遗漏和振型混淆的问题,文中以出现模态遗漏的GARTEUR模型为例,验证了数值修正算法的识别能力。然后针对激励频率接近系统共振点和反共振点的特殊情况,使用仿真算例验证算法的识别效果。此外,对于载荷识别过程中可能会遇到的模型不准确问题,分别设定了质量、刚度和阻尼存在整体或者局部误差的情况,依次考察数值修正算法的适应性。而对于数值修正算法本身,其理论体系中含有三个重要的参数,分别是区间放大系数、区间分割系数和精确度,文中从数学角度深入分析了各参数对于计算效率以及结果精度的影响。
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