一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，本发明专利技术首先采用应变能等效方法计算得到蜂窝结构的等效实体弹性模量，然后针对舵面实际结构的特征，采用壳单元和实体单元划分网格，获得了蜂窝等效的舵面模型，模态分析结果的一致性验证了该等效过程的有效性。接着采用基于静力的模型等效方法与遗传算法相结合，将蜂窝等效模型进一步等效为板结构。通过这一等效过程，使得板结构模型在载荷作用下与舵面原始模型的响应十分接近。本发明专利技术考虑了结构弹性参数的不确定性对舵面模型简化的影响，提出了基于非概率干涉模型的稳健性指标，获得结构在多个工况作用下弹性模量的稳健性辨识结果。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法
本专利技术涉及不确定性结构模型等效
，特别涉及一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，该方法考虑结构弹性参数的有界不确定性，采用力学性能等效方法和基于静力的模型等效方法与遗传算法相结合的模型辨识方法，以多个载荷工况下简化模型的位移区间向量和精确模型对应位置的位移区间向量非概率干涉模型建立了稳健性指标，并给出了相关优化计算方法。该方法可以为含不确定性参数的舵面蜂窝结构的模型等效简化为板结构提供理论方法。
技术介绍
结构动态荷载识别属于结构动力学的反问题，它根据已知结构系统的动态特性和实测动力响应反算结构所受的动态载荷，从而克服复杂服役环境下外部激励难以直接测量或不可测量的客观工程条件制约。动态荷载的确定是实现结构载荷设计的关键之一，这对于实现吸气式高超声速飞行器结构的轻质化设计尤为重要。逆问题一般都是不适定问题和非线性问题，动态载荷识别也不例外。由于振动逆问题的不适定性和非线性，使得研究高效实用的反演方法遇到很大的困难。尽管如此，由于确切的动态载荷可为动力设计、动力优化和减震隔振等问题提供可靠的依据，是工程结构可靠性与安全性的重要保证。动态载荷识别问题的重要性已被广泛认同，然而，当前针对吸气式高超声速飞行器动态载荷识别的研究大多仍处于理论研究与验证阶段，研究成果向工程实际应用的成功转化成鲜有报道。究其原因，针对吸气式高超声速飞行器全飞行包络内复杂载荷工况与多源不确定性交叉影响的应用环境下，当前主流载荷识别方法仍存在复杂模型多工况下刚度高精度等效模型的普适性不足、低信噪比下非线性结构系统动态分布载荷强鲁棒识别困难等问题。为了简化问题，需要将模型进行简化。由于模型的材料参数和载荷值都具有一定的不确定性，需要针对该不确定性构建结构参数等效的强稳健性辨识模型，以实现不确定性模型的合理等效。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法。本专利技术考虑实际舵面蜂窝结构的不确定性，采用等效公式计算得到蜂窝结构的等效实体弹性模量，然后针对舵面实际结构的特征，利用壳单元和实体单元划分网格，获得了蜂窝等效的舵面模型；接着采用基于静力的模型等效方法与遗传算法相结合，将蜂窝等效模型进一步等效为板结构。通过该方法得到的板结构模型在载荷作用下与舵面原始模型的响应十分接近，能够提供合理的舵面简化模型。本专利技术采用的技术方案为：一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，该方法可以为含不确定性参数的舵面蜂窝结构的模型等效简化为板结构提供理论方法，其实现步骤如下：步骤一：将模型的蜂窝通过力学性能等效的形式简化为实体结构，构建舵面蜂窝等效结构，得到舵面蜂窝夹心结构的等效力学参数公式：其中，Es和Gs分别为夹芯材料的弹性模量和剪切模量，t为蜂窝薄壁的厚度，nt为蜂窝厚壁的厚度，l为组成蜂窝的正六边形的长度，蜂窝夹芯的厚度为hc＝b，ρs为胞元的密度；Ecx,Ecy,Ecz分别是蜂窝结构面内沿着x,y,z轴方向的弹性模量，μxy,μyz,μxz分别是蜂窝结构沿着x,y,z轴方向的泊松比，Gcxy,Gcyz,Gczx分别是xoy,yoz,zox面内的横向剪切模量；步骤二：将舵面的蜂窝等效有限元模型按刚度等效的原则通过模型辨识方法等效为板结构，根据不同分区舵面厚度的不同对舵面结构划分分区，针对不同的分区分别赋予弹性模量：E1,E2,…,En其中，n表示舵面分区数；步骤三：考虑结构材料的分散性，将蜂窝等效结构的弹性参数设定为区间数；步骤四：考虑飞行器结构材料的分散性，以多个载荷工况下简化模型的位移区间向量和精确模型对应位置的位移区间向量非概率干涉模型建立稳健性指标：其中，ui,r和分别为简化结构第i个自由度的节点位移下界和上界，ui,a和分别为精确结构第i个自由度的节点位移下界和上界，Kj为简化模型第j个区域的刚度，ΔKj为刚度的变化量；下标i、r和a分别代表第i个载荷工况、简化模型和精确模型；步骤五：针对第k个工况，根据原结构弹性参数的上界和下界，采用灵敏度分析方法，计算得到精确模型材料参数上下界对应的位移值，通过迭代得到等效模型的弹性模量中心值Kj,k和变化量ΔKj,k；步骤六：以多个工况计算得到的弹性模量中心值和变化量为基础，采用遗传算法计算得到稳健性指标的最优解，获得结构在多个工况作用下也具有稳健性的弹性模量辨识结果。其中，所述步骤一中通过力学性能等效的形式将模型的蜂窝简化为实体结构，构建舵面蜂窝等效结构。其中，所述步骤二中针对舵面等效板结构，根据舵面厚度的不同对舵面结构划分分区并分别赋予弹性模量。其中，所述步骤三中考虑结构材料的分散性，将蜂窝等效结构的弹性参数设定为区间数。其中，所述步骤四以多个载荷工况下简化模型的位移区间向量和精确模型对应位置的位移区间向量非概率干涉模型建立稳健性指标。其中，所述步骤五通过迭代得到等效模型的弹性模量中心值Kj,k和变化量ΔKj,k。其中，所述步骤六中基于多工况下得到的弹性模量中心值和变化量，采用遗传算法计算得到稳健性指标的最优解，获得结构在多个工况作用下也具有稳健性的弹性模量辨识结果。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术提供了一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法。在考虑实际舵面蜂窝结构的不确定性的基础上，通过力学性能等效得到了蜂窝结构的等效实体，然后基于静力的模型等效方法与遗传算法将蜂窝等效模型进一步等效为板结构。该方法克服了原始舵面结构复杂的问题，大大缩减了载荷识别过程的计算量，也简化了对于载荷识别不必要的结构特征，这对于动态载荷的快速识别具有很重要的意义。附图说明图1是本专利技术进行舵面模型等效简化的流程图；图2是本专利技术进行舵面模型等效简化实施例的模型示意图；图3是本专利技术实施例的蜂窝胞元水平单向受力及其等效示意图，其中，图3(a)为单胞应力分析图，图3(b)为单胞等效力和力矩示意图；图4是本专利技术实施例中舵面蜂窝等效模型的示意图；图5是本专利技术实施例简化得到的等效板有限元模型的示意图；图6是本专利技术实施例在迎角2°情况下等效结构和原结构z向位移对比(模量上界)图；图7是本专利技术实施例在迎角2°情况下等效结构和原结构z向位移对比(模量下界)图；图8是本专利技术实施例在迎角5°情况下等效结构和原结构z向位移对比(模量上界)图；图9是本专利技术实施例在迎角5°情况下等效结构和原结构z向位移对比(模量下界)图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例进一步说明本专利技术。如图1所示，本专利技术提出了一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，包括以下步骤：(1)将模型的蜂窝通过力学性能等效的形式简化为实体结构，构建舵面蜂窝等效结构，得到舵面蜂窝夹心结构的等效力学参数公式。以x轴方向的弹性模量及泊松比公式为例，说明等效力学参数公式的导出方法。蜂窝由一系列正六边形组成。蜂窝结构的俯视图如下图所示。并建立直角坐标系，水平向右为x轴，水平向上为y轴，垂直面内为z轴。由于工艺的限制，沿着y方向上的蜂窝夹芯的厚度与其他地方的不同，设沿着y方向的厚度为其他方向的厚度的n倍。设Es为夹芯材料的弹性模量，t为蜂窝薄壁的厚度，nt为蜂窝厚壁的厚度，l为组成蜂窝的正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，该方法可以为含不确定因素的蜂窝结构舵面的模型简化提供途径，其特征在于，实现步骤如下：步骤一：将模型的蜂窝通过力学性能等效的形式简化为实体结构，构建舵面蜂窝等效结构，得到舵面蜂窝夹心结构的等效力学参数公式：

【技术特征摘要】
1.一种考虑不确定性的蜂窝结构舵面等效参数强稳健性辨识方法，该方法可以为含不确定因素的蜂窝结构舵面的模型简化提供途径，其特征在于，实现步骤如下：步骤一：将模型的蜂窝通过力学性能等效的形式简化为实体结构，构建舵面蜂窝等效结构，得到舵面蜂窝夹心结构的等效力学参数公式：其中，Es和Gs分别为夹芯材料的弹性模量和剪切模量，t为蜂窝薄壁的厚度，nt为蜂窝厚壁的厚度，l为组成蜂窝的正六边形的长度，蜂窝夹芯的厚度为hc＝b，ρs为胞元的密度；Ecx,Ecy,Ecz分别是蜂窝结构面内沿着x,y,z轴方向的弹性模量，μxy,μyz,μxz分别是蜂窝结构沿着x,y,z轴方向的泊松比，Gcxy,Gcyz,Gczx分别是xoy,yoz,zox面内的横向剪切模量；步骤二：将舵面的蜂窝等效有限元模型按刚度等效的原则通过模型辨识方法等效为板结构，根据不同分区舵面厚度的不同对舵面结构划分分区，针对不同的分区分别赋予弹性模量：E1,E2,…,En其中，n表示舵面分区数；步骤三：考虑结构材料的分散性，将蜂窝等效结构的弹性参数设定为区间数；步骤四：考虑飞行器结构材料的分散性，以多个载荷工况下简化模型的位移区间向量和精确模型对应位置的位移区间向量非概率干涉模型建立稳健性指标：其中，ui,r和分别为简化结构第i个自由度的节点位移下界和上界，ui,a和分别为精确结构第i个自由度的节点位移下界和上界，Kj为简化模型第j个区域的刚度，ΔKj为刚度的变化量；下标i、r和a分别代表第i个载荷工况、简化模型和精确模型；步骤五：针对第k个工况，根据原结构弹性参数的上界和下界，采用灵敏度分析方法，计算得到精确模型材料参数上下界对应的位移值，通过迭代得到等效模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，莫江，刘东亮，夏海军，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11