基于模型确认的高温环境复杂结构动力学建模方法研究

How to build the dynamic model to predict the dynamic behavior of a structure precisely is very important to the researchers. This program focuses on the dynamic modeling methods based on model validation for structure under high temperature environment. The main purpose of this program is to present a series of methods suitable for modeling the dynamic characteristics of the structures under high temperature environment with high computational accuracy and efficiency. In order to obtain the accurate temperature distribution on the structures, thermal parameters identification methods for the structure systems considering the temperature effects will be presented. Then, the model reduction method will be presented to reduce degree of freedom of the localized nonlinear system, the temperature effect is also considered in the model reduction method. The computation cost for solving the equations of the structure under variable temperature will be greatly reduced by using the model reduction method. The new model updating methods for the dynamic system under high temperature will be developed. These new model updating methods will take the temperature effect into account. With the model updating method developed in this program, the computational accuracy for each component will greatly improved. The modeling method for the joints in the structures will be developed in this program. The modeling method will consider the influence of the localized nonlinearities and the temperature effect. In this program will develop a new damping model suitable to predict the energy dissipation of the structure under high temperature. The damping model presented here considers influence of the temperature effects, the variable frequency will also be taken into account. The corresponding damping parameters identification method will be presented too. Finally, validity of these methods presented in the program will be evaluated by test.

建立能够准确预示机械结构系统在高温环境下的力学行为特征的结构动力学模型一直是理论界和工程界关注的重点。本项目研究基于模型确认的高温环境下的复杂结构动力学建模问题，提出一套适用于高温环境下的复杂结构动力学计算的高精度、高效分析方法。通过项目研究，提出一种变温系统模型的热物性参数识别方法，为准确的模拟结构在高温环境下的温度分布状态提供基础；然后，建立各级结构动力学模型，提出一种考虑温度效应的局部非线性系统模型缩聚方法对模型自由度进行缩聚，提高计算效率；提出一种考虑温度效应的结构动力学模型修正方法，并通过该方法对各级模型进行模型修正，提高各级模型计算精度；针对连接件的非线性特点，提出一种考虑温变效应的连接件建模方法；建立系统级模型，提出一种考虑温度和频率效应的阻尼模型来描述整个系统的能量耗散特征；最后，通过系统级模型确认试验对所建立的高温环境下的结构动力学模型的预报精度进行评估。

建立能够准确预示机械结构系统在高温环境下的力学行为特征的结构动力学模型一直是理论界和工程界关注的重点。本项目研究围绕高温环境下的结构动力学建模中的一系列关键问题。首先，针对变温度环境引起的模型参数随空间分布变化的问题，本项目提出了将热物性参数表示为一系列以温度为变量的基函数插值的形式，并将基函数的系数作为待辨识量的热物性参数辨识方法，解决了随空间坐标连续变化的热物性参数辨识的难题，为后续的高精度温度分布计算打下了基础。研究结果表明，所提出的方法能够有效降低因代理模型误差和测量噪声所引起的不适定性影响，具有较好的鲁棒性。随后，提出了基于分层思想的变温系统结构动力学模型修正方法，考虑了物理分层因素，将整个模型划分为温度场修正和结构动力学修正两类问题，证明了在分层修正的条件下能够在不损失修正精度的同时有效减少待修正量。接着，开展了热环境下不确定性的动力模型修正与确认方法研究，根据不确定性响应的统计分布规律，以概率密度函数的形式量化不确定性因素，将不确定性模型修正问题转换为均值和方差的修正问题，提出了基于摄动法和代理模型技术的不确定性跨层模型修正方法。实现了由温度场不确定性修正到温度场确认，再由温度场下结构不确定修正到温度场下结构响应确认的具体过程。为了提高热环境下结构动力学系统计算效率和模型修正效率，开展了模型降阶技术研究，将其应用于局部非线性系统、不确定性系统中，通过子结构综合技术将大规模计算系统减缩到由少量模态坐标和物理坐标表达的综合模型，并将其应用到动特性和动响应计算以及模型修正等项目研究的整个环节中，大幅提高了热环境下的结构动力学系统计算效率。项目研究成果有望应用于高超声速飞行器结构动力学设计、动强度校核与动特性评估、高温环境下的结构动力学虚拟试验等领域中。