结构动强度评估的多尺度动力学有限元模型修正方法

In the structural dynamic strength evaluation, the structural finite element model which can be utilized to precisely calculate the dynamic strains and their transfer relations at the critical local sites of the structure is required. In order to increase the accuracy for calculating the dynamic strain responses at the critical local sites of the structure, finite element model updating based on dynamic strain, displacement / acceleration responses will be investigated in the present research to overcome the shortage in model updating for the critical local sites of the structure by the conventional model updating method. Firstly, based on the finite element modeling fundamentals in structural dynamics and statics, the modeling approach for multi-scale dynamic finite element model and selection method for parameters to be updated will be studied by considering both the whole structure model and critical local specific model. Secondly, according to the analysis of the inherent relations between structural dynamic strains, displacements / accelerations and structural physical parameters, the approach for extracting the structural dynamic strength characteristic parameters will be proposed utilizing the structural dynamic strains, and the corresponding objective function in model updating for multi-scale dynamic finite element model will be constructed as well. Finally, the model updating strategies and algorithms for multi-scale dynamic finite element model will be investigated to increase both the precision of the updated model and the computational efficiency of the model updating procedure. The present research will provide the structural dynamic responses based finite element model updating method for structural dynamic strength evaluation.

结构动强度评估需要建立能准确计算结构关键局部细节部位动态应变及其传递关系的有限元模型，本项目针对常规有限元模型修正方法对结构关键局部细节部位修正能力的不足，以提高有限元模型对结构关键局部细节部位动态应变响应的预测精度为目标，开展综合利用动态应变、位移/加速度响应的有限元模型修正原理与方法研究。依据结构动、静力学有限元建模的基本原理，研究同时考虑整体结构模型和关键局部细节模型的多尺度动力学有限元建模方法及修正参数的选取方法；通过分析结构动态应变响应、位移/加速度响应与结构物理参数之间的内在联系，研究基于动态应变响应的结构动强度特征参数提取方法，并构建多尺度动力学有限元模型修正的目标函数；进而以提高模型修正的精度及计算效率为目的，研究多尺度动力学有限元模型修正的策略及算法。项目研究将为结构动强度评估提供一套基于结构动态响应的有限元模型修正方法。

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，本项目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正，发展以动态应变特性为修正目标的结构动力学有限元模型修正方法。本项目的主要研究内容包括及重要研究成果包括：1)通过推导频响函数相关系数与边界参数之间的关系，建立了可用于多尺度动力学有限元建模的边界参数识别方法。研究结果表明该方法能够有效识别特定的结构边界条件，并且识别后结构频响函数与实测频响函数的相关性显著提高；2)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，通过引入应变频响函数的形状相关系数和幅值相关系数，对修正后的动力学有限元模型的修正效果进行评估，采用灵敏度分析方法建立了模型修正的正则方程，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。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；3)提出了考虑全局动力学特性约束的局部结构模型修正方法，采用“分离-等效”的思想，将待修正的局部结构从总体结构中分离出来，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，提出了“分层-迭代”的模型修正思想，建立了相应的结构多尺度动力学有限元模型修正方法。最后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。