一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法选择所有单元的杨氏模量作为待修正参数，并结合模态缩聚方法进行模型修正；基于灵敏度分析的模型修正，结合模型缩聚方法对模型进行修正。本发明专利技术基于模型缩聚方法对模型进行了修正，可大大缩减计算时间，提高计算效率；将灵敏度分析技术引入多点激励振动试验系统的有限元动力学仿真中，达到仿真结果与试验结果一致的目的；经过修正的多点激励振动试验系统模型在试验实施之前即可预测试验效果，并可直接作为多点激励试验设计及控制方法的依据和基础。

A system model updating method for multi point excitation vibration test

The invention discloses a method for multi point vibration testing method to correct the system model, the multi exciter vibration testing system model updating methods of Young's modulus of all units as the updating parameters, combined with the modal condensation method for model updating; correction based on sensitivity analysis model, combined with model reduction methods model. The present invention model reduction method based on the modified model, can greatly reduce the computation time and improve calculation efficiency; the sensitivity analysis of dynamic finite element simulation technology is applied to the multi exciter vibration testing system, achieve the simulation results consistent with the experimental results of the objective; after multi exciter vibration testing system can be implemented in the model test before the forecast test results, and can be used directly as a basis and foundation of multi excitation test design and control method.

【技术实现步骤摘要】
一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法
本专利技术属于机械工程有限元仿真
，尤其涉及一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法。
技术介绍
多点激励振动试验系统是指振动试验采用多个振动台一次沿单个或多个轴向方向激励试件。模型修正是指在建立有限元模型并进行试验检验时，有时会发现该模型有系统性的偏差，表明该模型有缺陷，此时需要在模型中增补某些项或调整某些参数值，能够准确地反映实际结构的动力学特性，从而预测试验效果、指导试验设计和控制方法。在工程应用中，随着工业的不断发展，对有限元模型可靠性的要求不断提高，利用实验数据修正有限元模型的模型修正技术日益受到重视，在航空航天领域，有限元模型修正技术更是充分发挥其巨大优势，成为大型工程项目中不可缺少的一部分。例如在航空航天工程领域，为了了解航天器在极端载荷情况下的力学行为，通常采用足尺结构星实验的办法。结构星实验方法用于结构的分析和力学行为预测，存在着耗资较大和周期较长的不足。有了模型修正技术后，在利用已有成熟的航天器平台进行新型航天器设计时，只需要对新型航天器做部分的结构实验，利用实验结果对有限元模型进行验证和修正，省掉整体的结构实验。这种结构设计新方法可以有效地节约研制经费、缩短研制周期，具有明显的经济效益和工程应用背景。试验建模主要存在以下技术问题：①模态遗漏问题，测试过程由于试验激励方式的选择有可能导致某些模态无法被激励，产生模态遗漏等现象；②试验模态的自由度完备问题，由于传感器的功能及数目等原因，导致测试的自由度数目有限，转动自由度的信息无法测量；③边界条件的模拟失真，完全自由的状态在现实中是不存在，固支状态很难被模拟等。此外，试验建模需要试制样机、购买昂贵的测试仪器等，客观上增加了试验成本。综上所述，现有的试验建模存在模态遗漏，试验模态的自由度完备，边界条件的模拟失真的缺陷。通过模型修正方法可以解决有限元模型与实验测试模型之间的自由度不匹配问题。
技术实现思路
本专利技术是这样实现的，一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法通过合理设置目标函数，计算目标函数对待调整参数如材料密度、弹性模量及部分几何参数的灵敏度，得到各待调整参数对于整体模型精度的影响程度，从中选取影响程度较大的参数进行调整，可实现对振动试验系统有限元模型的有效修正。并结合模态缩聚方法，在分析中选择一个需要保留的自由度集合，剔除掉需要省略的自由度集合，进行模型修正；进一步，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法通过对具体工程对象建立有限元模型，并通过有限元分析得到有限元模型的模态参数，与实验测试结果通过模型缩聚进行自由度匹配，使得有限元计算结果与实验测试结果在自由度上一一对应；然后通过模态分析，对初始有限元模型的精度进行评估，若有限元模型计算结果与实验测试结果误差在合理范围内，则说明初始有限元模型是可靠的模型，不需要进行模型修正，若进行模态分析后，发现分析结果未能满足工程要求，则说明初始建立的有限元模型不可靠，需要对初始有限元模型进行修正，主要通过对影响程度较大的参数进行调整。进一步，所述模型缩聚采用Guyan缩聚法。一个n自由度系统的特征方程为：KΦ＝λMΦ(1)为了叙述的方便，假设x即表示位移又表示特征向量，则上式变为：Kx＝λMx(2)把结构的位移x分为主(保留)坐标xm和副(缩减)坐标xs，则式(2)可改写为：Guyan缩聚法的思想就是忽略副坐标上的惯性力，即令fs＝0，则由上式第二行可以得到坐标变换，如下：xs＝DGxm(4)式中：DG称为Guyan缩聚阵，这样可得Guyan坐标缩减式：其中：将式(6)代入式(2)，且有前乘其两边，即可得到缩聚后的特征方程：通过式(8)及式(9)即可获得缩聚后自由度总数为m的系统。进一步，所述基于灵敏度分析模型修正通过灵敏度分析选择待修正参数并使用灵敏度分析技术对参数进行修正，引入有限差分方法进行一阶或二阶灵敏度近似计算，基于灵敏度分析的基本理论如下：假设初始有限元模型的物理参数为p，根据泰勒展开理论，某特征量f对p的第i阶泰勒展开式为：式中，为变量f对参数p的I阶灵敏度。若使用特征量f对p的一阶灵敏度，则有上式可进一步改写为s△p＝△f(12)其中△f＝f(p+△p)-f(p)(14)其中Δf为残差量，Δp为设计参数的修正量，S为f对p的1阶灵敏度。如果待修正参数个数为Np，那么可将式(12)写为矩阵形式，得到sΔp＝Δf(15)此时向量P＝[p1p2...pNp]T，矩阵s为灵敏度矩阵。式(15)即为基于灵敏度分析的模型修正方法的最终修正公式，各种基于灵敏度分析方法的差别主要是形成灵敏度矩阵方法的不同以及目标函数选取的不同。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法的航天器。本专利技术提供的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，基于灵敏度分析的模型修正技术，结合模型缩聚方法对模型进行修正。对振动试验系统进行模型修正，实现了多点激励试验系统分析模型的质量与实际质量一致；多点激励试验系统的材料参数和实际结构相符合；多点激励试验系统的模态计算结果和模态试验结果一致。本专利技术基于模型缩聚方法对模型进行了修正，可大大缩减计算时间，提高计算效率，缩聚前后数据对比如表1所示；将灵敏度分析技术引入多点激励振动试验系统的有限元动力学仿真中，达到仿真结果与试验结果一致的目的，仿真结果与试验结果的对比如表5所示；经过修正的多点激励振动试验系统模型在试验实施之前即可预测试验效果，并可直接作为多点激励试验设计及控制方法的依据和基础，完成模态分析后即可进行频率响应分析及随机振动分析得到各点的响应情况。附图说明图1是本专利技术实施例提供的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法包括以下步骤：S101：通过对具体工程对象建立有限元模型，并通过有限元分析得到有限元模型的模态参数，与实验测试结果通过模型缩聚进行自由度匹配，使得有限元计算结果与实验测试结果在自由度上一一对应；S102：然后通过模态分析，对初始有限元模型的精度进行评估，若有限元模型计算结果与实验测试结果误差在合理范围内，则说明初始有限元模型是可靠的模型，不需要进行模型修正，若进行模态分析后，发现分析结果未能满足工程要求，则说明初始建立的有限元模型不可靠，需要对初始有限元模型进行修正。本专利技术实施例提供的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，通过对具体工程对象建立有限元模型，并通过有限元分析得到有限元模型的模态参数，将其与实验测试结果通过模型缩聚进行自由度匹配，使得有限元计算结果与实验测试结果在自由度上一一对应；然后通过模态分析，对初始有限元模型的精度进行评估，若有限元模型计算结果与实验测试结果误差在合理范围内，则说明初始有限元模型是可靠的模型，不需要进行模型修正，若进行模态分析后，发现分析结果未能满足工程要求，则说明初始建立的有限元模型不可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，其特征在于，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法选择所有单元的杨氏模量作为待修正参数，并结合模态缩聚方法进行模型修正；基于灵敏度分析的模型修正，结合模型缩聚方法对模型进行修正。

【技术特征摘要】
1.一种面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，其特征在于，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法选择所有单元的杨氏模量作为待修正参数，并结合模态缩聚方法进行模型修正；基于灵敏度分析的模型修正，结合模型缩聚方法对模型进行修正。2.如权利要求1所述的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，其特征在于，所述面向多点激励振动试验的系统模型修正方法通过对具体工程对象建立有限元模型，并通过有限元分析得到有限元模型的模态参数，与实验测试结果通过模型缩聚进行自由度匹配，使得有限元计算结果与实验测试结果在自由度上一一对应；然后通过模态分析，对初始有限元模型的精度进行评估，若有限元模型计算结果与实验测试结果误差在合理范围内，则说明初始有限元模型是可靠的模型，不需要进行模型修正，若进行模态分析后，发现分析结果未能满足工程要求，则说明初始建立的有限元模型不可靠，需要对初始有限元模型进行修正。3.如权利要求2所述的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，其特征在于，所述模型缩聚采用Guyan缩聚法。4.如权利要求3所述的面向多点激励振动试验的系统模型修正方法，其特征在于，所述模型缩聚具体包括：一个n自由度系统的特征方程为：KΦ＝λMΦ；x即表示位移又表示特征向量，则上式变为：Kx＝λMx；把结构的位移x分为主坐标xm和副坐标xs，则上式改写为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王肇喜，梁山，马洪波，孔宪光，陈燕云，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61