高温环境中结构的动力学模型修正研究

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本文的研究目标是解决高超声速飞行器等处于高温环境中的结构的动力学模型修正问题。对于高温环境中的结构动力学建模与试验技术,已经有很多研究成果,但是关于如何利用模型修正技术减小仿真模型的预测结果与试验数据的之间差异的研究并不多见。本研究旨在通过系统的数值分析与试验研究,梳理高温环境结构动力学模型修正面对的特殊问题,建立相适应的模型修正方法,从而探索出一套适用于处在高温环境中或者其他相似复杂动力学环境中的结构的模型修正方法。针对高温环境动力学建模方法及其仿真结果的规律进行了系统的研究。我们建立了一个处于高温环境中的复合材料层合板的结构动力学模型,通过对其进行灵敏度分析、输入输出关系特性分析等多种方法,研究高温环境动力学模型与传统动力学模型之间的差异。归纳出对于高温环境模型修正技术,有着输入输出关系复杂、多状态性、不确定性等有别于传统动力学模型修正的特点。针对同一复合材料结构还进行了高温试验研究,获取了对应的高温环境振动试验数据。为后续的方法研究确定了基本的方向,也为后续的模型修正研究提供了试验参考数据。在对问题的分析和研究的基础上,提出了一套针对高温环境中结构的动力学模型修正方法。这个方法研究主要分为两个阶段。第一阶段是针对单一温度状态的修正方法研究,这个阶段主要针对高温环境动力学模型复杂的输入输出关系带来的局部收敛、计算性能等问题,提出了一套基于目标函数二阶灵敏度展开的模型修正算法。此算法通过引入二阶灵敏度解决了传统基于一阶灵敏度方法的局部最优问题。在算法本身的研究上,我们对优化计算过程进行了改进,解决了传统基于高阶灵敏度项逼近的优化算法在边界过早收敛的问题。研究的第二阶段为多状态模型修正方法研究,即针对高温环境模型修正问题的多状态特性,发展了一套基于多个不同状态的试验数据对模型进行同时修正的技术。本文提出的方法改进了传统的多状态修正约束方程设计,解决了传统方法中不能修正跟随状态变化的参数的问题。通过多状态模型修正技术,可以在保障修正的物理意义的前提下,使模型可以对不同温度下的动力学特性进行更为准确的预示。综合这两个阶段的研究,我们提供了一套适合高温环境结构动力学的模型修正解决方案。针对高温环境动力学模型输入输出关系复杂、规模庞大等影响计算性能的问题,我们研究了如何使用代理模型技术进行高温环境模型修正的方法。此研究主要使用了Kriging模型代理模型,通过数值算例验证了其对于高温环境动力学模型具有良好的拟合能力。在此基础上我们将方法封装为了一套适用于工程实际问题的工程软件包,方便用于解决更加复杂的工程问题。除了针对高温环境模型修正这一特定领域的研究,我们还将研究内容扩展到了模型修正问题本身非常棘手的一个方面——模型修正参数选择问题。在进行模型修正之前,如果能够有效合理地选择待修正参数,不仅能够减小计算消耗,而且能提供物理意义更加明确的修正结果。在本文中,我们提出了一种基于全局灵敏度的模型修正参数选择方法。这种方法的核心在于一个独特设计的基于试验数据的评估函数,使用全局灵敏度分析技术计算得到其对应的复合全局灵敏度指标,从而找到那些造成模型与试验之间差异的参数作为待修正参数。方法经过了数值与试验的验证,可以筛选出造成误差的参数并能够提供结构内部不同参数之间相互作用关系的评估。综上,本文通过数值分析、试验研究、理论推演等多个角度对高温环境中结构的动力学模型修正问题进行了系统的研究。提出了基于单状态与多状态的高温环境模型修正方法,并研究了代理模型、修正参数选择等相关扩展领域。为高温环境结构动力学精确建模提供了便捷可靠的方法。
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