專利名稱：線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法的改進(jìn)，具體講是一種對線性 周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法。其主要針對在環(huán)境荷載的激勵下，利用動力測試 對材料進(jìn)行模型誤差修正的方法。本發(fā)明提出適用于線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)的模型誤差修正 方法，用于建立正確的結(jié)構(gòu)有限元模型，提高材料的分析精度。
背景技術(shù)：
減重是航空航天領(lǐng)域永恒的主題。近年來，超輕材料的長足發(fā)展對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和安 全評估提出了新課題。從材料微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，超輕材料分為兩大類， 一是有序的點(diǎn)陣或柵格 材料，二是無序的泡沫材料。研究表明，點(diǎn)陣材料具有超輕和足夠高韌性的特點(diǎn)，是一種理 想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。了解點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為對飛行器結(jié)構(gòu)分析設(shè)計有著重要的意義。
一般而言，關(guān)于結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為分析的方法， 一是通過有限元離散方法進(jìn)行數(shù)值仿真， 二是試驗建模，即通過結(jié)構(gòu)實驗對模型動力特性進(jìn)行辨識和修正。有限元方法由于具有適應(yīng) 性廣、分析速度快、設(shè)計周期短、和結(jié)構(gòu)動力實驗相比費(fèi)用很低等優(yōu)點(diǎn)，在實際工程中得到 了廣泛應(yīng)用。然而，在多數(shù)情況下通過有限元數(shù)值分析得到的結(jié)果與實驗得到的結(jié)果并不能 很好的吻合，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是通過有限元離散化建立的模型與實際對象比較往往存在 一定的誤差，當(dāng)這些誤差較大時，將導(dǎo)致由有限元所分析得到的結(jié)構(gòu)模型動力特性與實際的 測量結(jié)果相比有較大的出入，甚至超過了工程實踐中所要求的精度，此種情況下需要借助實 驗結(jié)果分析和模型修正(model updating)技術(shù)對數(shù)值模型進(jìn)行修正，以達(dá)到正確預(yù)測結(jié)構(gòu) 行為的目的。
大型結(jié)構(gòu)模型修正中存在的關(guān)鍵問題是測量信息有限、修正目標(biāo)眾多以及模型修正前后 的關(guān)聯(lián)性，試圖通過單一的修正過程來完全解決這些關(guān)鍵性問題無疑十分困難，把復(fù)雜的修 正過程來分步實現(xiàn)成為可能。因此，提出一種利用子結(jié)構(gòu)模態(tài)信息的模型修正方法方法，簡 稱SMSM (Substructure Model Substructure Mode),以期為實際工程結(jié)構(gòu)的模型修正提供
新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
利用模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行柵格夾層結(jié)構(gòu)模型修正是在模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展到比較完備階段 的邊緣應(yīng)用技術(shù)。它的基本原理是結(jié)構(gòu)模型誤差會引起分析模態(tài)參數(shù)相對與真實模態(tài)參數(shù) 的變化，從而通過模態(tài)參數(shù)的變化來判定、評價模型誤差。
從基于結(jié)構(gòu)動力特性變化的結(jié)構(gòu)模型修正方法的文獻(xiàn)中，可以看到大多數(shù)方法存在一些 實際應(yīng)用的局限，需要完備的模態(tài)信息，高階的模態(tài)參數(shù)等等。本發(fā)明針對上述局限性，提 出新的發(fā)明目的是應(yīng)用子結(jié)構(gòu)模型子結(jié)構(gòu)模態(tài)(SMSM)方法，在結(jié)構(gòu)誤差位置已知的情況 下，對結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)進(jìn)行確定，本發(fā)明只需要低階的局部的結(jié)構(gòu)模態(tài)信息就能對線性周 期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的誤差系數(shù)給出準(zhǔn)確的判定。
本發(fā)明是基于一個典型的線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)，其主要構(gòu)件是由水平撐構(gòu)件和斜撐構(gòu) 件組成的。當(dāng)柵格夾層梁中的構(gòu)件模型存在誤差的時候，例如構(gòu)件剛度值降低，與此相對應(yīng)， 該構(gòu)件附近的模態(tài)振型有顯著的變化，從而通過模態(tài)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系來判定、評價損傷。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是利用工線性周期柵格結(jié)構(gòu)振動的實測數(shù)據(jù)， 通過系統(tǒng)參數(shù)識別技術(shù)判斷結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的變化，將結(jié)構(gòu)所識別模態(tài)參數(shù)損傷前后相應(yīng)值之 間的顯著差異作為模型存在誤差的標(biāo)志，并利用己有技術(shù)判斷結(jié)構(gòu)誤差的位置后，采用本技 術(shù)方案中子結(jié)構(gòu)模型子結(jié)構(gòu)模態(tài)(SMSM)方法建立模型誤差系數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系確定結(jié) 構(gòu)模型誤差系數(shù)，其包括如下步驟(1) 數(shù)據(jù)采集步驟采集材料"真實"狀態(tài)的環(huán)境荷載激勵下動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，并存入專用 存儲器中，其次，將上述材料的"真實"狀態(tài)的環(huán)境荷載激勵下動力響應(yīng)數(shù)據(jù)存入存 儲器；
(2) 模型誤差識別定位步驟利用模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)取得"真實"和"分析"結(jié)構(gòu)的模態(tài) 參數(shù)，并確定結(jié)構(gòu)模型誤差出現(xiàn)的位置
(3) 結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)確定步驟確定模型誤差位置之后，應(yīng)用子結(jié)構(gòu)模型和模態(tài)提供的 信息診斷上述結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)。
所述的(3)結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)確定步驟中應(yīng)用SMSM方法確定結(jié)構(gòu)的誤差系數(shù)，是利用 了結(jié)構(gòu)模型誤差與結(jié)構(gòu)振動參數(shù)的關(guān)系，艮P: 結(jié)構(gòu)振動控制方程-
<formula>formula see original document page 4</formula>
上式為結(jié)構(gòu)振動控制方程，其中^L是柵格材料中第s個子結(jié)構(gòu)的第v階模態(tài)振型，[B]是傳遞
函數(shù)矩陣，[A/^]是邊界單元剛度矩陣，[AA^]是邊界單元質(zhì)量矩陣，[、J和[M]^是存在誤
差構(gòu)件的剛度和質(zhì)量矩陣。當(dāng)以上參數(shù)已經(jīng)取得的條件下，解方程可以得到材料第z個子結(jié)構(gòu) 中第j個構(gòu)件的剛度誤差修正系數(shù)c^和質(zhì)量誤差修正系數(shù)A,。
以上所述分析結(jié)構(gòu)模型及其動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是彈性模量，和/或是剪切模量，和/或是 材料密度，和/或是加速度，和/或是速度，和/或是位移。
以上所述真實結(jié)構(gòu)模型及其實測動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是彈性模量，和/或是剪切模量，和 /或是材料密度，和/或是加速度，和/或是速度，和/或是位移。
本發(fā)明的有益效果是， 一、利用環(huán)境激勵進(jìn)行振動測試，整個模型修正過程不會影響結(jié) 構(gòu)的正常工作，二、利用SMSM方法，只需要部分的低階的結(jié)構(gòu)模態(tài)信息就能對周期柵格夾 層結(jié)構(gòu)模型給出準(zhǔn)確的診斷。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 圖l是本發(fā)明的技術(shù)流程圖。
圖2是本發(fā)明的實施線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖 圖3"真實"結(jié)構(gòu)剛度矩陣誤差系數(shù)與"分析"結(jié)構(gòu)剛度矩陣修正系數(shù)(A) "真實"結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣誤差系數(shù)與"分析"結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣修正系數(shù)(B)具體實施方式
，本發(fā)明的保護(hù)范闈不僅局限于以下實施例中。
一、 建立有限元數(shù)值模型
本發(fā)明的實施例是模擬研究了彈性支撐下線性周期柵格夾層梁，結(jié)構(gòu)由水平撐和斜撐構(gòu)
件組成，共10個子結(jié)構(gòu)，40個構(gòu)件單元，見圖2所示。利用計算軟件MATLAB產(chǎn)生了模擬的動力 響應(yīng)數(shù)據(jù)。
二、 線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正
為了驗證SMSM方法，本節(jié)以柵格夾層梁為例進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，連桿釆用拉壓桿單元， 構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)及其編號如圖2所示。面板和夾層材料都是鋁，楊氏模量為71GPa，密度為 2700kg/m2。上下水平桿的長度為1.2m，截面為邊長5cm的正方形，豎直桿長為O. 5m，邊長5cm 的正方形桿。設(shè)夾層梁邊界為彈性支撐。不考慮阻尼。主要討論三類典型工況下，整體結(jié)構(gòu)的模型修正。 一是單個子結(jié)構(gòu)的模型存在誤差，二是多個子結(jié)構(gòu)的模型存在誤差。
這里考慮單個子結(jié)構(gòu)，圖2所示柵格結(jié)構(gòu)的有限元模型中，假定子結(jié)構(gòu)6 (cell 6)有限 元模型存在誤差，該子結(jié)構(gòu)中，全部構(gòu)件的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣都存在隨機(jī)的誤差，數(shù)值模
擬中，剛度和質(zhì)量矩陣的誤差值，a和-，由Matlab軟件中高斯隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生器來產(chǎn)生。
本節(jié)利用數(shù)值模擬得到"完好"結(jié)構(gòu)模型和"真實"結(jié)構(gòu)(存在誤差)的模態(tài)信息。這 里以"真實"結(jié)構(gòu)的第一和第二階，v=(l，2)，和"完好"結(jié)構(gòu)的前五階，即f(1 5)，的固 有頻率和振型做為SMSM法的輸入量，計算剛度和質(zhì)量矩陣的誤差修正系數(shù)。SMSM方法需要知 道周期結(jié)構(gòu)中存在損傷的子結(jié)構(gòu)以及邊界上子結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，本算例中取子結(jié)構(gòu) ce=(6，10)，其中第6子結(jié)構(gòu)是存在誤差的子結(jié)構(gòu)，第10子結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)的邊界。由SMSM方 法可準(zhǔn)確地得到各個構(gòu)件剛度和質(zhì)量矩陣的誤差修正系數(shù)，計算結(jié)果見圖3。
如圖3所示，當(dāng)模型誤差發(fā)生在一個子結(jié)構(gòu)中的時候，僅利用少數(shù)局部實測模態(tài)，SMSM 方法可以準(zhǔn)確的得到一維線性周期柵格夾層梁有限元模型剛度和質(zhì)量矩陣的誤差系數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種對線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法，其特性在于所述的修正方法是基于柵格夾層結(jié)構(gòu)在役結(jié)構(gòu)動力特性而實施的方法，其包括如下步驟(1)數(shù)據(jù)采集步驟采集材料“真實”狀態(tài)的環(huán)境荷載激勵下動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，并存入專用存儲器中，其次，將上述材料的“真實”狀態(tài)的環(huán)境荷載激勵下動力響應(yīng)數(shù)據(jù)存入存儲器；(2)模型誤差識別定位步驟利用模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)取得“真實”和“分析”結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并確定結(jié)構(gòu)模型誤差出現(xiàn)的位置；(3)結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)確定步驟確定模型誤差位置之后，應(yīng)用子結(jié)構(gòu)模型和模態(tài)提供的信息診斷上述結(jié)構(gòu)模型誤差系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法，其特征在于所述的(3)模態(tài)誤差系數(shù)確定步驟中應(yīng)用子結(jié)構(gòu)模型和模態(tài)信息確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷程度，是利用了構(gòu)件模型誤差與結(jié)構(gòu)振動參數(shù)的關(guān)系，艮P:<formula>formula see original document page 2</formula>上式為結(jié)構(gòu)振動控制方程，其中^L是柵格材料中第s個子結(jié)構(gòu)的第v階模態(tài)振型，[B]是傳遞函數(shù)矩陣，[A/^]是邊界單元剛度矩陣，[AMg]是邊界單元質(zhì)量矩陣，[A^]和[M]p是存在誤差構(gòu)件的剛度和質(zhì)量矩陣。當(dāng)以上參數(shù)已經(jīng)取得的條件下，解方程可以得到材料第z個子結(jié)構(gòu)中第j個構(gòu)件的剛度誤差修正系數(shù)"^和質(zhì)量誤差修正系數(shù)&z 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述輕質(zhì)柵格夾層材料的損傷診斷方法，其特征在于所述的分析材料參數(shù)及其動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是彈性模量，和/或是剪切模量，和/或是材料密度，和/或是加速度，和/或是速度，和/或是位移。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)模型誤差參數(shù)及其實測動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是彈性模量，和/或是剪切模量，和/或是材料密度，和/或是加速度，和/或是速度，和/或是位移。 C
全文摘要
本發(fā)明涉及線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法的改進(jìn)，具體講是一種對線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)有限元模型的修正方法。其主要針對在環(huán)境荷載的激勵下，利用動力測試對材料進(jìn)行模型誤差修正的方法。本發(fā)明提出適用于線性周期柵格夾層結(jié)構(gòu)的模型誤差修正方法，用于建立正確的結(jié)構(gòu)有限元模型，提高材料的分析精度。與傳統(tǒng)方法相比，檢測過程中對信息測量的要求降低了，提高了效率，有利于復(fù)雜的柵格夾層結(jié)構(gòu)的模型修正。為了驗證本文所提出有限元模型修正方法的正確性，利用柵格夾層梁有限元模型數(shù)值模擬了幾個典型的工況，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，該方法能夠準(zhǔn)確的修正柵格夾層梁有限元模型的誤差。
文檔編號G06F17/50GK101546346SQ200810090538
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者輝 方 申請人:輝 方