高超声速飞行器极端热环境下结构动态特性识别与模型修正方法研究

高超声速飞行器结构要经受高温、大温升这样极端的气动热环境，结构由于热应力和热变形导致有附加刚度，同时结构刚度和阻尼等物理参数有明显的时变性，这给飞行器结构动力学建模与控制研究带来极大的挑战。本项目主要针对高超声速飞行器气动热环境进行结构动力学理论和试验建模问题研究。主要研究这种极端气动热环境下的地面热振动试验方法；基于地面不同加热速率作用下振动试验数据的结构动态特性识别方法以及基于仅仅响应测量数据的结构时变参数识别方法；研究高温环境下，用于结构热模态分析的有限元精确建模方法，包括考虑以结构热物性参数为主要修正目标的确定性有限元模型修正方法，以及考虑结构设计参数、热模态参数具有不确定性特点的有限元模型修正方法。目标是发展高超声速类飞行器结构动力学精确建模方法，解决这种极端热环境下结构动力学领域关键科学问题，为结构动态特性分析、热颤振预测控制及飞控系统设计提供必要理论方法支撑。

本项目以典型结构（主要指可模拟翼面、舱段的金属梁、板式结构，以及用于防隔热的高温陶瓷与金属的组合板式结构）为对象，以高超声速飞行器极端气动加热环境为背景，进行地面热振动试验技术及依据地面热振动试验数据的复杂飞行器结构动力学建模和识别方法研究。. 我们制作了钛合金梁、模拟翼面的钛合金翼板以及由高温陶瓷构成的防隔热组合板结构，以这些典型结构为对象进行了高温环境下的热模态试验技术研究，其中金属试验件的热模态试验达到了500℃，防隔热结构试验件的热模态试验达到了950℃，热模态试验可以模拟翼面实际情况双面同时加热，也可以模拟壁板结构单面加热，克服了高温环境下的激励和响应测量技术，获取了典型结构高温环境下可靠的振动测试数据。为高温环境下的有限元建模及试验建模研究奠定了基础。. 依据稳态加热段的数据进行了热环境下的模型修正问题研究，提出了考虑热应力的模型修正方法，同时，考虑高温环境下结构参数、振动测试等存在的不确定性，发展了考虑不确定性的模型修正方法。在验证了高温环境下基础激励是有效的激励方式的同时，发展了基于基础激励数据的模型修正方法。还发展了多族的粒子群用于模型修正的优化步骤，取得了较好的修正效果。所发展的模型修正方法使得高温环境下复杂结构的精确建模成为可能，也为实际复杂工程结构有限元模型的准确建立提供了有效途径。 . 依据从升温、保持到降温整个全温变时段的振动测试数据进行了仅仅输出数据和有时变参数特征的模态参数识别方法研究。提出了基于盲源分离技术的仅仅输出数据的时不变/时变模态参数识别方法，提出了时变模态参数识别的改进子空间方法并用于典型结构热模态试验。为高温环境下结构动特性的试验认识提供了有效方法，辅助本项目提出的模型修正成果，可准确深入认识典型结构高温环境下的动态特性。