飞机结构动力学有限元模型修正

从工程应用的角度讨论了利用GVT结果和优化方法的飞机结构动力学有限元模型修正技术，提供了一个比较成熟的、达到实际工程应用水平的修正方法和计算过程，并给出了在AC500飞机的成功应用。     

有限元模型修正技术

有限元模型修正技术，是近年来兴起的一门结构分析辅助技术，它正在发展成为有限元专家系统的重要组成部分。本文简要介绍了有限模型修正技术的需求，概念和基本思路及其前景，目前的是唤起人们的注意，同时希望有志者投入这一技术开发，并尽早为型号设计服务。     

基于参数法的焊接薄板动力学模型修正

以焊接薄板动力学模型修正为目的,通过建立参数法修正模型,对含焊缝悬臂薄板动力学模型进行了修正。将焊缝用连续实体单元建模,焊缝部位的密度和弹性模量作为修正变量,以有限元数值解与模态振动测试结果误差最小化为优化目标,通过数值迭代运算,得到了模型修正参数的最优化解。结果证明模型修正精度较高,可有效降低焊接结构件有限元模型复杂度。     

典型支架动力学模型修正与隔振设计

在民机研制过程中,设计要求机载设备所能承受的振动量值需高于标准中规定的量值,而实际上由于供应商设备是货架产品,不一定按照DO-160G规范中所规定标准谱开展振动环境试验。为满足设备振动环境试验要求,在支架装机使用前需要采用相应的减振措施来降低设备处响应。以某型支架为研究对象,对典型支架进行了模态及随机响应分析,并对假件及安装支架实施了正弦扫频试验。依照各方向的扫频试验数据对有限元模型各阶响应进行动力学模型修正,添加刚度及阻尼单元。修正后的模态频率误差在2%以内,相应模态频率处的峰值误差在5%以内。随后对假件-支架系统开展了隔振设计,通过在支架与机身连接处增加隔振器及粘贴阻尼层的方式,使得隔振后的仿真随机响应低于DO-160G标准谱20 dB,结果表明隔振措施有效。     

基于预处理共轭梯度算法的有限元模型修正方法

在预处理共轭梯度算法的基础上,提出了一种新的有限元模型修正方法。该方法利用有限元模型的特征方程和试验数据的特征方程相互交叉建立模型修正的数学模型,在质量矩阵和刚度矩阵满足正交性条件和特征方程的约束下,然后利用预处理共轭梯度算法修正方程的数值解。通过算例对该方法进行数值验证,并与其他方法进行了比较,结果表明计算方法提高了模型修正精度,收敛速度快,合理、可行。     

转子-支承耦合结构的模型修正研究

在转子-支承耦合结构的动力学分析过程中,结构模态参数计算结果与实验测试结果往往存在较大差异。针对此问题,应用优化算法对结构动力学模型进行修正,使计算模型能更准确地反映结构特性。建立由梁单元、盘单元、弹性支承单元组成的结构动力学有限元模型;选择优化目标函数、设计参数,并对各参数进行灵敏度分析。应用粒子群算法对选取的设计参数进行优化,得到最优模型。利用转子-滚动轴承实验器进行验证,结果表明,方法能够有效地实现转子-支承耦合结构的动力学模型修正,修正后模型更接近实际结构。     

基于优化的动力学模型修正中的优化策略

基于MSC．Nastran平台，利用其优化设计功能，提出能应用于动力学有限元模型修正中的优化策略。经过算例和工程实际结构计算，证明该优化策略能有效提高模型修正的精度和收敛速度。修正完成后，能显著地降低修正模型和目标模型的结构参数、频率误差和提高模态相关性，有很好的工程应用前景。     

基于实验复模态参数的有限元模型修正

提出了一种利用非完备实验复模态参数,修正带有非比例阻尼矩阵结构有限元模型的迭代修正方法。首先,对处理困难的阻尼矩阵表达为质量与刚度矩阵的多项式组合,并给出了物理解释,被修正参数为该多项式的系数和结构的某些局部几何、材料参数,其修正结构物理意义明确,与结构的动态设计相适应,实例表明了本文修正方法的有效性。     

基于统计分析和响应面方法的有限元模型修正研究

通过统计学中的方差分析对待修正参数进行筛选,利用对修正参数的方差分析结果,选择对响应特征有显著影响的参数作为修正对象。再利用试验设计方法,通过有限元计算,获得一系列试验点的响应特征,拟合出响应特征关于修正参数的响应面模型。模型修正时,用响应面模型替代有限元模型进行迭代计算。由于只需要在试验点的响应特征计算时调用有限元计算程序,对于大型工程结构,可极大的提高修正效率。     

一种针对局部结构的有限元模型修正方法

针对实际结构有限元模型（FEM）的建模误差通常仅存在于局部区域,提出了一种对局部结构单独进行模型修正的方法。首先,根据频响函数（FRF）解耦理论得到由残余结构频响函数与包含待修正参数的局部结构动刚度所重构的整体结构频响函数的拟合值,然后通过迭代优化使其与测量值的残差最小化,从而得到参数的极大似然估计。在此基础上,将残差关于参数的灵敏度以局部结构动力学矩阵表示,建立了模型修正的基本方程,利用整体结构的测试数据即可直接对分离出来的局部结构进行模型修正。最后,对喷气式飞机和三角机翼飞机分别进行了数值模拟和实验研究,验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明,所提方法可以成功地用于仅局部区域含有建模误差的实际结构有限元模型的修正,修正后的有限元模型的动态特性与实际结构有较好的一致性。     

AC500型飞机操纵面破损颤振分析

提出了一种全机操纵面破损颤振分析的工程方法。这种方法是为了适应适航CCAR§23．629条例关于“全机操纵面颤振分析要考虑主飞行操纵系统中任何单个舵面元件损坏、失效或断开情况”的要求而提出的。利用经地面振动试验验证的AC500型飞机全机有限元模型,采用降低操纵面模态频率的方法模拟单个舵面的破损情况,完成了AC500型飞机操纵面破损10种计算状态的颤振分析,并对计算结果的合理性进行了仔细分析,表明方法是可行的、有效的。     

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.      

叶片动力学相似试验模型设计及其固有特性预测修正

针对用直板叶片来预测真实带扭型叶片固有特性的相似试验模型设计问题,提出一种在固有特性相似条件下,直板试验模型叶片的动力学相似设计方法及修正策略.研究表明:对带扭型叶片当扭转角在其相似区间(固有频率误差小于5%)时,可直接用与其几何相似的直叶片试验模型准确预测对应阶的固有频率,当扭转角超出相似区间时,需用修正系数对与原型完全几何相似的直叶片试验模型的固有频率进行修正,修正后的固有频率值即能准确预测原型叶片的固有频率.      

GARTEUR有限元模型修正与确认研究

待修正参数的选择以及修正后模型的质量评估是有限元模型修正的两个重要问题。以欧洲学术界广泛采用的GARTEUR飞机模型为例,利用基于灵敏度分析的模型修正方法,通过仿真算例研究参数选择对模型修正质量的影响,并以试验数据为目标值对有限元模型进行修正与确认。为全面评估模型的修正质量,引入三级标准对修正后有限元模型进行确认。     

结构动力学模型修正的三步策略及其实践

首先构建了由模型结构调整、模型参数修正以及模型确认组成的三步模型修正策略。该方法优于传统模型修正方法的是:在模型修正之初基于误差定位、灵敏度分析以及工程经验进行的模型结构调整可以给出一个适于参数修正的初始有限元模型,从而保证了模型修正的成功。然后,采用三步法针对国际上模型修正的标准考题——GARTEUR19结构动力学模型进行修正,详尽论述了模型结构调整、参数修正以及模型确认的过程,并将修正结果与国外同行的研究结果进行了对比,综合精度与国际先进水平相当,从而验证了三步模型修正策略的有效性。     

基于静强度试验的有限元模型修正技术研究

基于静力响应的有限元模型修正技术广泛应用于工程结构的参数识别中,需要解决软件实现、基准数据与目标函数选取,以及参数的灵敏度分析等问题。利用位移响应信息对损伤位置确定的悬臂梁进行了损伤程度的精确识别,对于损伤位置不能确定的情况,通过引入应变约束条件实现了损伤位置与损伤程度的同时确定。作为实际工程算例,将飞机静强度试验得到的位移响应与内力响应作为基准数据,利用模型修正技术确定飞机方向舵有限元模型边界条件。算例比较了不同目标函数和约束条件对修正效果的影响,并通过增加内力响应信息进一步修正了根部约束参数,为计算分析提供了精确有限元模型。     

基于结构动力学特性的损伤识别方法

基于等效模态应变/动能理论,提出了一种利用实际结构的测试数据识别结构中损伤位置的方法。在此基础上,研究了利用模型修正技术识别结构中损伤强度的方法。分别以一个单损伤平板结构和多损伤平板结构为例,通过仿真分析了以上方法的有效性。结果表明,以上方法可以有效识别结构中的损伤位置和损伤强度。     

基于混合人工鱼群算法的结构有限元模型修正

将模拟退火算法(SAA)与具有交叉和高斯变异的人工鱼群算法(AFSA)相结合,提出了一种基于混合人工鱼群算法(HAFSA)的结构有限元模型修正方法;针对外编有限元模型修正程序直接嵌入Patran/Nas-tran软件存在困难的情况,设计了一种灵巧且方便的接口模块。以试验模型测试数据与有限元模型计算值的向量残差建立目标函数,在基本AFSA中引入交叉和高斯变异算子用于加快全局优化搜索速度,将目标函数优化值不断刷新公告板,再利用SAA进行局部细化搜索从而显著提高优化解的精度,在满足算法终止条件后获得设计参数的最优值;结合Fortran语言和Visual Basic语言编译接口模块,运行模型修正程序时循环修改Patran软件生成的建模文件并反复调用Nastran软件进行求解。以欧洲航空研究科技组织的基准模型——GARTEUR飞机模型为例,修正结果表明,应用HAFSA进行结构有限元模型修正是可行且有效的。