Hierarchical model updating strategy of complex assembled structures with uncorrelated dynamic modes

In structural simulation and design, an accurate computational model directly determines the effectiveness of performance evaluation. To establish a high-fidelity dynamic model of a complex assembled structure, a Hierarchical Model Updating Strategy(HMUS) is developed for Finite Element(FE) model updating with regard to uncorrelated modes. The principle of HMUS is first elaborated by integrating hierarchical modeling concept, model updating technology with proper uncorrelated mode treatment, and...     

基于不相关模态振型的修正技术

为充分利用试验测量结果，探讨了一种修正技术，不但有效利用试验数据中与有限元模型相关的模态信息，同时也有效利用不相关模态信息，并成功应用于某型现代高推质比涡扇发动机结构中.通过计算，修正后的模型计算值与试验测试值比较接近，误差接近0，MAC（model assurance criteria）值接近1.研究表明:利用不相关模态振型的模型修正技术能够有效得到准确的修正参数值，且修正后的有限元模型具有很高的计算精度.      

某航空发动机机匣的动力学模型修正

利用动力学模型修正技术对某航空发动机机匣的有限元模型进行了修正.通过振动模态测试得到了实际机匣的模态数据用以作为有限元模型 修正的基准.利用频率对单元刚度的灵敏度分析选定了修正区域.在此基础上,应用1阶优化方法对机匣的有限元模型进行修正.研究结果表明:修正后机匣有限元模型的前10阶模态的计算值与实际测试的误差都在29%以内,可以应用在后续的发动机整机动力学分析等方面.      

一种确定模型误差位置的方法

本文首先由解析有限元模型的模态矩阵,得到未测量自由度与已测量自由度模态之间的变换关系,利用该关系对解析模型进行缩聚。然后针对缩聚后的特征方程,利用解析刚度矩阵和质量矩阵以及实测的模态参数确定模型误差位置。模拟结果表明,该方法可行。     

基于灵敏度分析的结构动力模型修改

本文基于灵敏度分析和Taylor级数展开式提出了一种参数型结构模型修改方法。为了改进模型修改精度,本文从能量的观点出发引入一权矩阵,并给出模型修改方程的加权最小二乘解。数字算例表明本文方法具有很好的精度,并且在利用结构模态试验数据进行修改方面具有较好的适应性。     

一种设计参数型的有限元模型修正方法

本文提出了一种设计参数型的有限元模型修正方法。依据正交条件,采用系统矩阵对设计参数的台劳展开式,建立参数修改量的线性方程式,用奇异值分解方法求解。在本方法中充分考虑了试验模态参数误差的影响,及试验振型自由度扩充等问题。计算机仿真及实际算例的结果表明,本方法计算量小、精确度较好。     

Use of finite-element models for preparation of ground vibration test

The paper discusses possibilities to make use of the finite element model (FE model) to prepare and analyse ground vibration tests (GVT) on large aircraft. It reports about experiences gained in the preparation stage and of research GVT on an Airbus A340-300.The observability and controllability of the expected structural modes can be investigated on the basis of FE calculations during the preparation of the GVT. By this means, the engineering skill strictly necessary to set up a GVT can be backed up with analytical findings potentially resulting in improvements of the pick-up and excitation plan. During and after the test the performance of orthogonality checks as well as the calculation of generalized masses on the basis of the measured mode shapes and the analytical mass matrix provide useful additional information for the evaluation and interpretation of test results. The detection of deviations of the measurements from the analytical model might influence the test procedure drawing attention towards the least precisely predicted modes which can prove to be very useful for the updating of the FE model.A prerequisite for any activity related to the FE model is a proper association of the test data with the analytical calculations. For this task the use of a generalized static expansion technique is recommended which is a suitable tool during both the preparation and analysis stage of a GVT.     

适用于参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法

基于计算流体力学(CFD)的非定常气动力降阶模型(ROM)可以极大提高气动弹性分析效率,然而现有的ROM只能针对固定参数结构,即只适合于固定模态振型,这使得现有ROM在气动弹性优化设计和不确定性分析等结构变参问题中应用受限。针对该问题,在文献[20]基础上提出了一种新的适用于任意模态振型的非定常气动力建模方法。首先将待设计/分析的结构进行参数化抽样和模态分析,之后通过主成分分析(PCA)得到若干基振型,再将这些基振型线性叠加即可拟合抽样空间内任何参数下结构的前若干阶振型。当结构参数改动时,仅仅是叠加系数发生变化。算例表明,仅用很少的基振型就能达到理想的拟合精度。经典的气动力降阶方法可用于基振型坐标下的气动力降阶,进一步变换可得到适用于不同结构的ROM,这意味着,结构参数可以在抽样空间内任意调节改动,而ROM却是通用的。该方法能广泛用于气动弹性优化设计和不确定性分析工作,可提高颤振分析精度和效率。     

民机客舱下部吸能结构分析与试验相关性研究

以民机典型机身段客舱下部结构为研究对象,建立了结构坠撞有限元模型,利用LS-Dyna软件进行了结构能量吸收特性分析。基于吸能结构思想,以降低传递到客舱地板的加速度载荷为设计目标,提出了一种民用飞机客舱地板下部结构吸能设计方法。设计制造了全尺寸的吸能结构试件,并进行了垂直坠撞试验。为评估坠撞分析与试验的相关性,提出了一种基于能量的能量吸收特性评估方法。首先对预试验分析结果与试验结果进行了相关性分析,根据相关性分析结果对分析模型进行了修正。修正后坠撞分析结果与试验结果的相关性表明,乘员质心处的平均加速度响应峰值误差为16.44%,最大平均反弹速度误差为10.53%,修正后模型的总体刚度与实际结构一致,分析获得的结构总体变形模式与试验结果基本一致。但能量吸收时间和加速度峰值出现的时间与试验结果相比误差较大,表明结构连接失效等结构建模细节对计算结果有显著的影响。     

航空发动机叶片包容模拟试验与数值仿真研究

为研究航空发动机机匣对断裂叶片的包容性,进行了高速飞断平板叶片撞击同心圆筒的试验,并利用MSC．Dytran软件仿真计算了试验过程。经对比,计算结果和试验结果吻合性较好。通过对结构塑性动力学响应和叶片变形过程的分析,指出了叶片断裂时的不同转速对撞击过程及结果的影响。     

涡轴发动机部件特性修正及更新方法

针对由航空发动机零部件制造、装配及性能退化引起的发动机模型与实际发动机之间的性能不匹配问题,提出1种基于粒子群优化算法(PSO)的发动机部件特性自动修正及更新方法。根据发动机部件级模型的输出数据和发动机性能分析软件GasTurb计算结果,以发动机关键测量参数所定义的目标函数最小为优化目标,利用PSO获取不同相对换算转速下的部件特性修正因子,并在线完成特性图的自动更新。并以某型涡轴发动机为对象进行仿真验证,结果表明:该方法可有效提高涡轴发动机部件级模型的精度,并直接输出更新后的部件特性。     

涡轮后机匣的结构动力学精确建模

构建精度高、规模适中的部件动力学模型,是航空发动机在研制初期实现从结构部件到整机的动力学特性准确分析的有效途径。为构建满足工程需求的部件结构动力学模型,依据某装配组合式涡轮后机匣的结构特点,提出了其各构件的“超模型”建模及装配组合形式的连接件分类建模的方法,实现装配组合式涡轮后机匣的整体“超模型”建模。同时,进一步介绍了各构件的“超模型”建模步骤、基于有限元单元网格尺寸变化的收敛准则,建立了自由度490万的后机匣构件“超模型”,“超模型”构件的频差精度可达1%以内;利用薄层建模法模拟多螺栓连接结构、采用接触对模拟支板搭接处的接触连接。装配组合后的涡轮后机匣“超模型”通过动力学分析,结果表明后机匣前8阶为整体振动模态。整体“超模型”的建立,可以代替研制样机提供虚拟试验数据,实现简化模型的修正和确认,为研制初期的结构动力学特性精确分析提供技术支撑。可推广应用到发动机其他部件及整机的精确建模中。     

基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正

为了研究具有复杂接触界面拉杆转子系统的动力学特性,发展了基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正方法。采用线性本构关系的薄层单元模拟转子部件的复杂接触关系,基于模态试验数据,运用分层模型修正方法对预紧状态下拉杆转子部件接触面的连接刚度进行识别,通过识别的薄层连接参数建立拉杆转子动力学预测模型。将拉杆转子动力学预测模型的结果与试验数据进行对比分析,结果表明:采用线性本构关系薄层单元能够模拟拉杆预紧状态下接触界面的力学特性,修改薄层单元弹性模量能够模拟接触界面的法向刚度和切向刚度;修正后转子模型与测试结果的最大频率误差为0.6%,平均频率相对误差为0.25%,修正后模型能预测实际结构的振动响应。      

转子支承动刚度对转子动力特性的影响分析

针对转子支承动刚度对转子动力特性的影响,分别运用静刚度、动刚度和整机有限元模型对某型发动机进行了转子动力特性计算,并对各种计算结果进行了比较和分析;分析了转子支承动刚度剧烈变化的原因,同时,指出运用整机模型能够分析支承动刚度和各种机匣的局部振动对整机振动的影响。     

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。     

阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法

 动力学相似的缩比模型试验中,阻尼往往难以保证相似,使得缩比模型的动响应测试数据难以直接换算到结构原型上,因此提出一种阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法来解决这一问题。该修正方法假定缩比模型的阻尼可用比例阻尼模型近似表征,并直接从实际缩比模型与理想缩比模型的一般强迫振动响应计算方程出发,利用线性系统的叠加原理和模态叠加法,将动响应修正量的求解转换为理想模型在一个等效附加激励力作用下的时域响应求解。同时,针对实际工程中响应测点数目有限的问题,利用模态缩聚法进行了未测量点的响应反演。该修正方法仅需已知结构原型和实际缩比模型的模态阻尼比,以及准确建立的实际缩比模型的质量矩阵和刚度矩阵,即可实现实际缩比模型在任意激励工况下的测试动响应修正。以某型飞机的翼梁缩比模型为研究对象,对所提出的响应修正方法进行了验证。试验和计算结果对比分析表明,修正后的响应功率谱密度(PSD)和响应的均方根(RMS)值与理想模型基本一致,表明了本文方法的可行性和有效性。     

2.5维编织树脂基复合材料平板多尺度动力学模型修正

在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。     

航空发动机动态链接库模型建模技术研究

针对目前航空发动机组态建模软件不能输出用户所搭建模型的局限性,设计了与组态建模软件相匹配的通用发动机动态链接库模型框架,并将用户在组态建模软件上录入的模型信息输出为1个配置文件,加载该动态链接库模型和配置文件进行发动机仿真,仿真结果与采用组态建模软件所得到的结果一致。通过该方法实现了输出组态建模软件中模型的功能,输出的模型可用于发动机数控系统的设计等工作中。