專業(yè)綜合實驗

1、沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計說明書專業(yè)綜合實驗課程設(shè)計說明書 衛(wèi)星適配器有限元模型修正院系 航空航天工程學(xué)部（院） 專業(yè) 飛行器設(shè)計與工程（空間）班號 24030601 學(xué)號 2012040306019 姓名 王 昊 指導(dǎo)教師 楊 靖 宇 沈陽航空航天大學(xué)2015年10月 承諾書本人聲明所呈交的課程設(shè)計說明書是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的設(shè)計工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得沈陽航空航天大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)沈陽航空航天大學(xué)可以將論文的全部或部分內(nèi)容進行存檔，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制

2、手段保存、匯編論文。 作者簽名： 日 期： 摘 要上個世紀(jì)70年代以來，有限元模型修正技術(shù)得到了迅速發(fā)展，并在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于改善有限元模型與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性、提高有限元模型的分析精度和可靠性。目前，模型修正的方法按修正對象可分為矩陣型修正法和參數(shù)型修正法。其中矩陣型修正法由于修正對象為有限元模型的系統(tǒng)矩陣而面臨修正后物理含義模糊的問題；參數(shù)型修正法則是合理的修改參數(shù)。本次課設(shè)采用的便是參數(shù)型修正法。關(guān)鍵詞：有限元模型修正、修改參數(shù)ABSTRACTSince 70's last century, the finite element model modification techno

3、logy has been developed rapidly, and it is widely used in engineering field to improve the correlation between the finite element model and the experimental data and improve the accuracy and reliability of the finite element model. At present, the method of model correction can be divided into the m

4、atrix correction method and the modified method. Which is a problem with the modified object as the system matrix of finite element model, and the modified object is the problem of the fuzzy physical meaning. This course is designed to use the parameter type correction method.Keywords: finite elemen

5、t model modification、modifying parameters目 錄第一章 緒論81.1本文研究的工程背景和意義81.2有限元模型修正技術(shù)的發(fā)展過程101.3有限元模型修正的基本思路101.4有限元模型修正領(lǐng)域存在的問題11第二章 幾何模型建模112.1創(chuàng)建幾何模型112.1.1創(chuàng)建點112.1.2創(chuàng)建曲線122.1.3創(chuàng)建模型122.2設(shè)置邊界條件132.3定義材料屬性132.4 定義單元屬性14第三章 進行模態(tài)分析153.1實驗室試驗設(shè)備153.2試驗數(shù)據(jù)153.3模擬數(shù)據(jù)163.4試驗?zāi)康?6第四章 采用參數(shù)型修正法進行修正174.1修正第二階174.2第四九階修正1

6、8第五章 實驗總結(jié)19第四章 心得20參考文獻21致 謝22LIST OF FIGURES圖1.創(chuàng)建曲線指令.13圖2.創(chuàng)建曲線并劃分單元.13圖3.衛(wèi)星適配器模型.14圖4.設(shè)置邊界條件.14圖5.材料屬性.15圖6.實驗設(shè)備.16圖7.模擬數(shù)據(jù).17圖8.第二階修正參數(shù).18圖9.第二階修正數(shù)據(jù).18圖10.第四九階修正參數(shù).19圖11.第四九階修正數(shù)據(jù).19LIST OF TABLES表1幾何點的坐標(biāo)值.9表2模型初始數(shù)據(jù).9表1.幾何點的坐標(biāo)序號X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)10.340020.200.3603000表2.模型初始數(shù)據(jù)彈性模量泊松比密度厚度高度上底半徑下地半徑7e100.33270

7、00.0150.360.340.20第一章 緒論1.1本文研究的工程背景和意義在工程實際中，機器設(shè)備往往處于振動環(huán)境中工作，如航空航天中的飛行器、航海中的船舶、土木工程的橋梁與房屋、機械行業(yè)的機床、各種交通工具等都以某種形態(tài)進行振動。改善、控制和利用這些振動對于國防建設(shè)、航天航空技術(shù)研究以及工業(yè)技術(shù)的進一步發(fā)展都具有重大意義。要改善、控制和利用這些振動，首先需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。獲取結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型主要有兩種方式：實驗建模和理論建模（一般為有限元建模）。實驗建模是在具備實際結(jié)構(gòu)或者樣機的條件下，對結(jié)構(gòu)進行實際測試，利用采集的測試數(shù)據(jù)和相應(yīng)的識別技術(shù)識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，進而了解

8、其動態(tài)特性。上個世紀(jì)60年代以來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得實驗數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計算技術(shù)呈現(xiàn)嶄新的面貌，推動了實驗建模技術(shù)的高速發(fā)展，但是通過實驗手段直接識別結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的方法目前局限于小型、低階系統(tǒng)，同時要求有實際結(jié)構(gòu)或者樣機這一條件客觀上提高了實驗建模的成本，這一點在需要對不同設(shè)計方案進行評估比較時顯得尤其突出對于復(fù)雜系統(tǒng)不可能對每一個設(shè)計方案都逐一制造樣機。此外，如何合理配置結(jié)構(gòu)物理參數(shù)以獲得需要的動態(tài)或靜態(tài)特性客觀上也需要一個先驗的理論模型作為參考。與實驗建模不同，理論建模在設(shè)計的圖紙階段就可以實現(xiàn)，不一定要有實際結(jié)構(gòu)。目前工程中常用有限元方法來進行理論建模。有限元方法采用離散化的思想，把

9、連續(xù)系統(tǒng)離散成一個在節(jié)點上相互關(guān)聯(lián)的離散結(jié)構(gòu)。近五十年來，隨著計算機及數(shù)值計算方法的高速發(fā)展，有限元技術(shù)日益成熟并在工程中廣泛應(yīng)用。但是工程應(yīng)用表明，有限元模型有時難以滿足預(yù)測結(jié)構(gòu)相應(yīng)、評估設(shè)計方案等工程需求，有限元模型的計算結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)之間存在一定的差別。產(chǎn)生這些差別的因素來自兩方面，一方面是有限元建模誤差，一方面是實驗誤差。有限元建模誤差主要包括：(1)建模簡化帶來誤差，在工程應(yīng)用建立有限元模型時，不可避免地存在建模簡化，比如航天航空工程中的太陽翼模型中常用梁單元來代替實際的合頁結(jié)構(gòu)；(2)建模參數(shù)的設(shè)置存在誤差，比如材料的密度、楊氏模量、構(gòu)件的幾何尺寸等，受各種因素的影響未能準(zhǔn)確獲

10、得；(3)有限元理論本身的誤差，有限元本身是一個離散模型，與實際構(gòu)件相比存在離散化誤差，同時有限元模型方法往往建立在一些假定的基礎(chǔ)上，這些假定本身也會帶來誤差。實驗誤差主要包括：(1)實驗設(shè)備的固有誤差；(2)測試條件帶來的誤差，比如邊界的支撐與理想狀態(tài)之間總存在差別、信號傳輸受噪聲干擾等；(3)測試人員帶來的人為誤差等。這些差別難以通過改進建模技術(shù)或計算的方法來消除，在工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為實驗數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確和可靠，因此需要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)利用模型修正技術(shù)對有限元模型進行修正，提高有限元模型的可靠性。模型修正技術(shù)可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)檢驗并矯正有限元模型，如改善建模簡化部分、修正存在誤差的參數(shù)等。修正后模

11、型可以更可靠地預(yù)測機構(gòu)的動態(tài)特性。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，工程應(yīng)用對有限元模型可靠性的要求不斷提高，利用實驗數(shù)據(jù)修正有限元模型的模型修正技術(shù)日益受到重視。有限元模型修正技術(shù)廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域。在航空航天工程領(lǐng)域中，為了了解航天器在極端載荷情況下的力學(xué)行為，通常采用足尺結(jié)構(gòu)星實驗的辦法。結(jié)構(gòu)星實驗方法用于結(jié)構(gòu)的分析和力學(xué)行為預(yù)測，存在著耗資較大和周期較長的不足。此外，在利用已有成熟的航天器平臺進行新型航天器設(shè)計時，只需要對新型航天器做部分的結(jié)構(gòu)實驗，利用實驗結(jié)果對有限元模型進行驗證和修正，省掉整體的結(jié)構(gòu)實驗。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計新方法可以有效地節(jié)約研制經(jīng)費、縮短研制周期，具有明顯的經(jīng)濟效益和工程應(yīng)用背景。1

12、.2有限元模型修正技術(shù)的發(fā)展過程從1958年為解決飛機地面共振實驗中測量振型的正交化，提出依據(jù)實驗數(shù)據(jù)修正飛機結(jié)構(gòu)的柔度矩陣以來，有限元模型修正取得了飛速的發(fā)展。按修正對象區(qū)分，有限元模型修正主要分為矩陣型修正法和參數(shù)型修正法兩大類。1.3有限元模型修正的基本思路模型修正的目標(biāo)是得到一個能夠?qū)C械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行準(zhǔn)確可靠預(yù)測的有限元模型。模型修正的過程是從模型匹配這一步開始的。一般，實驗測點與有限元節(jié)點不能完全對應(yīng)。首先，某個測點未必與有限元模型的某一節(jié)點對應(yīng)。這個問題容易解決，只要有限元建模的時候合適地劃分網(wǎng)格即可。其次，但是更為普遍的，有限元模型包含的自由度通常比實驗測量的自由度要多。完

13、成模型匹配后，需要進行相關(guān)性檢查，一般是檢查頻率的相關(guān)性和模態(tài)的相關(guān)性。如果相關(guān)性好，則有限元模型是可靠的無，需進行模型修正；如果相關(guān)性不好，則需要對有限元模型進行修正。相關(guān)性不好時需要進行模型修正，首先要選擇修正對象。這里要判斷哪些對象是需要修正的，哪些是準(zhǔn)確的，不需要修正的。選擇修正對象的方法是模型修正領(lǐng)域的一個研究熱點和難點，修正對象選取不同，修正的結(jié)果往往也不同。模型修正的最后一步是利用實驗數(shù)據(jù)對選定的修正對象進行修改。一個良好的修正結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)有著良好的相關(guān)性及物理意義。1.4有限元模型修正領(lǐng)域存在的問題近四十年來，結(jié)構(gòu)有限元模型修正得到了長足發(fā)展，結(jié)構(gòu)有限元模型修正提出了很多方法

14、，解決了不少理論與實際問題。但迄今為止還沒有一個公認(rèn)用于工程實際的成熟的模型修正方法，結(jié)構(gòu)有限元模型修正還有許多不足之處，主要原因是還有許多問題沒有很好的解決，這些問題主要有：測試振型不完整、實驗?zāi)B(tài)不完備、如何對有限元模型的修正對象做選擇、多誤差給模型修正帶來的困難、修正后的模型不唯一等問題。而本次課設(shè)主要采用的是參數(shù)型修正法，目前參數(shù)型修正方法主要面臨以下三方面的問題：修正后的有限元模型高階頻率、模態(tài)與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性不一定得到改善、修正對參數(shù)做出的修改不一定符合物理實際情況、基于靈敏度分析的模型修正方法需要進行迭代運算，這就面臨數(shù)值發(fā)散和收斂速度的問題。對于大型工程問題，這一類方法修正計

15、算將消耗大量計算時間這三個主要問題。 第二章 幾何模型建模2.1創(chuàng)建幾何模型 2.1.1創(chuàng)建點點的坐標(biāo)見表1 2.1.2創(chuàng)建曲線如圖1，圖2所示創(chuàng)建曲線圖1.創(chuàng)建曲線指令圖2.創(chuàng)建曲線并劃分單元 2.1.3創(chuàng)建模型 使用sweep指令創(chuàng)建模型圖3.衛(wèi)星適配器模型2.2設(shè)置邊界條件單擊loads應(yīng)用工具按鈕，Action>Create ,Object>Displacement,Type>Nodal。在new set name選項中輸入disp，單擊 input data按鈕，在translations<T1 T2 T3>和Rotation<R1 R2 R3&g

16、t;輸入框中都設(shè)置為<0 0 0 >,單擊OK按鈕；單擊select application region，在geometry filter選項中選擇geometry，單擊選中結(jié)點（0 0 0）完成邊界條件創(chuàng)建。圖4.設(shè)置邊界條件2.3定義材料屬性單擊materials應(yīng)用工具按鈕，Action>Create ,Object>Isotropic, Method> Mannual。Input，material name：mat，單擊打開input properties按鈕對應(yīng)的面板，constitution model選擇linear Elastic，在Elasti

17、c modulus中輸入7e10，在poisson ration中輸入0.33，密度為2700，單擊OK、apply按鈕，完成材料的創(chuàng)建。圖5.材料屬性2.4 定義單元屬性單擊properties應(yīng)用工具按鈕，Action>Create ,Object>2D,Method>2D Solid。在property set name中輸入plate，option選項選擇plane strain，Standard formulation，打開input properties按鈕對應(yīng)的面板，在Mat prop name中選擇mat，單擊OK按鈕，在application region選

18、項框，選擇視圖中的曲面，點擊add、apply按鈕，完成定義單元屬性。第三章 進行模態(tài)分析3.1實驗室試驗設(shè)備圖6.試驗設(shè)備3.2試驗數(shù)據(jù)第一階：112.13；第二階：213.6；第三階：280.16；第四階：319.44；第五階：343.18；第六階：356.61；第七階：397.32；第八階：410.75；第九階：429.473.3模擬數(shù)據(jù)按照第二章中的步驟創(chuàng)建的模型模擬出的數(shù)據(jù)如下：圖7.模擬數(shù)據(jù)3.4試驗?zāi)康哪康膶⒃囼灥诙A以及第四九階的數(shù)據(jù)修正到試驗數(shù)據(jù)，要求誤差在 ±5%之內(nèi)。第四章 采用參數(shù)型修正法進行修正4.1修正第二階經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)，最終確定第二階修正參數(shù)為：圖8

19、.第二階修正參數(shù)圖9.第二階修正數(shù)據(jù)從圖中可看到修正的第二階頻率為216.62，與實驗數(shù)據(jù)誤差為1.3%，故達到實驗?zāi)康摹?.2第四九階修正有過之前單階頻率的修正，總結(jié)經(jīng)驗之后將四至九階一起修正，最終確定修正參數(shù)為：圖10.第四九階修正參數(shù)圖11.第四九階修正數(shù)據(jù)從圖中可看到修正各階頻率均與實驗數(shù)據(jù)誤差不超過±5%，故達到實驗?zāi)康?。第五?實驗總結(jié)在查閱過大量論文之后，通過三周的時間在電腦前對于衛(wèi)星適配器有限元模型的修正，我總結(jié)出一些對于修正有限元模型的幾點技巧，記錄下來對于以后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助，以下列出總結(jié)出的幾點經(jīng)驗： 1.彈性模量的大小與頻率的大小成正比。2.密度的大小與彈性模量的大小成反比。3.對不不同的材料，泊松比在不同的范圍內(nèi)影響頻率的正反比不同，例如：對于本次實驗材料數(shù)據(jù)，在泊松比小與0.25時，泊松比的大小與頻率成正比，大于0.25時成反比。4.彈性模量與密度的大小對于1至9階的頻率影響較大，但又有不同。彈性模量對于整體的頻率都有影響，而密度對于4階