结构动力学模型的总体-局部一体化修正方法

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1、·西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：结构动力学模型的总体-局部一体化修正方法作者：郭宁学科专业：固体力学指导教师：杨智春教授2017年6月Title:ResearchonIntegratedGlobal/LocalStructuralDynamicModelUpdatingMethodByGuoNingUndertheSupervisionofProfessorYangZhichunADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequire

2、mentForthedegreeofDoctorofSolidMechanicsXi’anP.R.China62017摘要摘要随着航空航天科技的快速发展，以结构动强度仿真评估为目的的结构动力学分析愈来愈受到重视。为了准确地进行结构动强度仿真评估，必须建立一个能够准确描述结构动力学特性和关键局部细节部位的动态应力应变及其传递关系的动力学有限元模型。采用传统有限元模型修正方法修正后的动力学模型，虽然能够准确表征结构的固有振动特性，但是难以准确描述结构局部细节部位的动态应力应变特性。因此，本文在传统结构动力学模型修正方法的基础上，同时考虑结构全局模型修正及局部细节的动力学模型修

3、正，发展以动态应变特性为修正目标的结构总体-局部一体化模型修正方法。本文从结构动力学模型修正的三要素出发，系统地阐述了结构动力学有限元模型修正方法的研究进展，指出了动力学模型修正研究课题所需要解决的关键问题：1）修正变量的选取问题；2）结构动态应力应变特征参数提取方法及其特征参数匹配准则的构建问题；3）如何建立合理的模型修正算法。本文的研究工作均是针对上述问题开展的。考虑到应变模态能够同时表征结构的动力学特性和结构关键局部细节部位的动态应变特性，提出了基于应变模态的动力学模型修正方法。引入坐标应变模态置信准则作为评价工程结构与其对应动力学有限元模型之间相关性的指标，在此基

4、础上建立了用于模型修正的目标函数，并发展了一种混合模式搜索技术来解决模型修正方法中的优化问题。通过两端固支梁结构的模型修正仿真算例和实验研究，验证了所提出的模型修正方法的有效性和高抗噪性。为了获取结构动态应力应变特性的更多信息，确保修正后的动力学有限元模型可以表征关心频段内的动力学特性和关键部位的动态应力应变特性，提出了基于应变频响函数相关性分析的动力学有限元模型修正方法，首先推导了基于模态叠加法的应变频响函数表达式，其次引入应变频响函数的形状相关系数和幅值相关系数这两个评价准则，对修正后的动力学有限元模型的修正效果进行评估，然后采用灵敏度分析方法建立了模型修正的正则方程

5、，并使用正则化方法处理求解正则方程时遇到的不适定问题。最后，通过悬臂板结构的模型修正仿真算例和阶梯梁结构的模型修正实验，验证了本文所提出的模型修正方法能够很好的修正初始动力学模型的不准确参数，而且具有很好的抗噪性。由于结构动强度评估不准确造成的结构动态失效通常呈局部破坏形式，所以在保证总体结构的动力学特性正确的前提下，再对结构上所关心的区域（即危险部位的局部结构）进行修正，这样不仅可以提高模型修正效率，而且可以确保局部结构动强度的正确设计。本文提出了考虑全局动力学特性约束的局部结构模型修正I西北工业大学博士学位论文方法。采用“分离-等效”的思想，将待修正的局部结构从总体结

6、构中分离出来，并将其他的周围结构等效为局部结构的动力学边界，建立了考虑全局动力学特性约束的局部结构动力学模型。继而，利用应变频响函数作为构建模型修正方法目标函数的特征参数，提出了“分层-迭代”的模型修正思想，建立了相应的局部结构动力学模型修正方法。最后文中通过弹性支撑悬臂板结构的模型修正仿真算例和实验研究，验证了所提局部结构模型修正方法是合理可行的，并具有良好的抗噪性。最后，对全文的主要工作以及创新点进行了总结，并结合目前国内外结构动力学有限元模型修正方法的发展水平及要求，展望了后续的研究方向。关键词：模型修正，应变模态，应变频响函数，灵敏度分析，相关性分析，动强度本论文

7、的研究得到国家自然科学基金（No.11402205）资助。IIAbstractAbstractThestructuraldynamicstrengthanalysisisnotoftentakenintoaccountintheengineeringpracticeofstructuredesign.Manystructuralfailureproblemscausedbyexcessivedynamicstressorvibrationfatigueoccurredinservicesespeciallyinaerospac