飞机结构动力学有限元模型修正

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1、维普资讯http://www.cqvip.com飞机结构动力学有限元模型修正张凌霞齐丕骞马晓利(中国一航飞机强度研究所二室，陕西西安，710065)摘要：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。关键词：有限元法；分析／试验相关；模型修正1引言由于飞机结构的复杂性，经理论分析建立的结构动力学模型必须经过试验验证和修正。如民用飞机适航条例要求必须用GVT(groundvibrationtest)结果验证和修正的飞机动力学模型进行适航认证分析。．利用GV

2、T结果的飞机结构动力学有限元模型修正，“空中客车”经历了靠经验人工调整计算模型到利用基于优化法的设计参数型修正技术的发展过程，可见到的资料还有美X一34系统(载机+子机)的动力学有限元模型的试验验证和修正也采用了与空客A340相同的技术途径。国内目前大多仍采用靠经验人工调整计算模型，关于利用基于优化法的设计参数型修正技术进行飞机结构动力学有限元模型的修正，还局限于修正技术的理论研究，缺乏有关工程应用的资料。本文从工程应用的角度讨论利用GVT结果和优化方法进行飞机结构动力学有限元模型修正的几个关键问题、在实际应用中会遇到的困难及解决途径。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

3、的基本思路和计算过程，并在AC500飞机的模型修改中得到成功应用。2利用GVT结构的有限元模型修正2．1基本假设(a)飞机结构为线弹性、小阻尼，在模型修正时，直接将由无阻尼特征值问题计算得到的频率、振型与试验的测量结果进行比较；收稿日期：2006年7月17日·23·维普资讯http://www.cqvip.com(b)用离散集中质量模拟飞机的结构和非结构质量特性。2．2基于优化法的设计参数型模型修正方法设计参数型模型修正由四大步骤组成，即：(1)分析与试验相关分析；(2)待修正参数选择；(3)模型参数修正：(4)模型验证与精度评估。本文讨论基于频率和振型残差的灵敏度分析方法，图1给出了设

4、计参数型模型修正框图。一图1设计参数型模型修正框图2．2．1预处理过程、(a)几何相关(测量点与有限元节点的协调)(b)模态配对(直观比较试验与计算的振型矢量图以及利用模态置信准则MAC)(c)待修正参数选择(1)不能精确测量的参数，如不规则的蒙皮整体壁板和变截面梁等；(2)凭经验或某种简单方法折算确定的复杂结构部件的参数，如机翼梁、机身梁、机翼／机身对接区、外挂连接机构等：(3)若需修正质量模型，选择分布至有限元节点的离散质量为修正参数。(d)有限元模型缩聚或试验振型扩充本文方法适合直接使用试验结果。已经证明b，在引入有限元模态向量时完全可以舍弃与结构转角自由度对应的模态向量值，只要所

5、引入的模态自由度数能够表达该阶模态的特征维普资讯http://www.cqvip.com全貌即可，而无需进行有限元模型缩聚或试验振型扩充。(e)模型评价准则(模型验证与精度评估)满足：(1)所有在GVT得到的结构模态都在经修正后飞机FEM计算中得到，并且模态排序一致、相关性好；(2)计算与试验频率间相对误差小于10％，即满足适航对数学模型的精度要求n。如美X一34系统的模型验证和修正所用评价标准见表1。表1X-34模型验证评价标准2．2．2实施途径为简单起见，针对不同的情况，将模型修正工作分为两步完成：a)修正质量模型根据试验模态与计算质量阵的正交性结果决定是否进行。b)修正刚度模型根据

6、计算与试验间频率误差及相关性分析结果决定是否进行。2．2_3修正质量模型的优化数学模型目标函数：min厂=圭(∑)2)约束条件：(1)质量特性约束：M≈MS≈Sc，式中：、——分别表示实际结构的总质量和总静矩；、——表示修正后结构的总质量和总静矩。(2)广义质量单项约束lXl<．￡取指定的小量(3)修正变量的上下限约束：m，mmI』·25·维普资讯http://www.cqvip.com2．2．4修正刚度模型的优化数学模型目标函数：=÷Ke)(2)设计变量上下限约束．‘{6){6){6)(3)式寺：{e}={gA}一{gT}f}：一，，qkTl，⋯，厂{g)：一，，，⋯，——为有限元计算

7、结果；7’，——苊地面振动试验结果：、——分别为频率和模态向量[——是在研究中提出的权矩阵【5】，它是基于误差向量，中元素的物理意义以及分析与试验结果的相对误差概念而提出的，即J极小意味着修正模型与实际结构的动能和位能误差极小。2．2．5寻优方法以上建立的优化数学模型，是非线性多约束多变量优化问题，属求解较困难的约束非线性规划的范畴，本文采用序N-次规划法(SQP)寻优。3模型修正方法的应用3．1质量模型修正方法的应用3．1．1模型