梁、板结构的热弹性动力学及其反问题研究
发布时间：2021-11-11 22:01
高速飞行器在大气层中执行任务时,其结构将承受气动载荷和气动加热,而气动加热将给结构力学行为带来众多不利影响。一方面,气动加热使结构的弹性属性（如杨氏模量）显著降低,进而降低结构材料的承载能力。另一方面,结构边界约束会限制材料热膨胀,产生热应力,进而降低结构的抗屈曲能力,并使结构动力学特性发生显著变化。因此,对高温环境下梁、板结构动力学特性的研究有助于理解和揭示热环境下飞行器结构所呈现的复杂动力学行为。本文采用线性和非线性有限元建模技术对热环境下的梁、板结构建模,对非定常高温环境下的梁、板的热弹性动力学正问题和反问题进行研究。论文的主要内容和学术贡献如下:1.在时变温度场中,建立了含轴向弹性支撑的细长梁和含面内弹性支撑的矩形薄板的热振动有限元模型。基于时变自回归（TVAR）模型,提出一种识别温度变化条件下结构时变模态参数的方法。在该方法中,结合BIC准则和灰色关联度分析,确定TVAR模型阶数和基函数维数。针对多种类型的非定常加热环境,采用该方法识别了上述细长梁和矩形薄板的时变模态参数,研究了方法的有效性。2.针对非定常热环境中的弹性结构,考虑时变的材料属性和热应力,提出了一种识别结构温变...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 热弹性梁、板建模与分析研究现状
1.3 时变模态参数识别研究现状
1.3.1 时频分析法
1.3.2 时域分析方法
1.4 结构动力学模型修正研究现状
1.5 结构热模态试验技术研究现状
1.5.1 国外结构热模态试验技术研究现状
1.5.2 国内结构热模态试验技术研究现状
1.6 本文的主要研究工作及内容安排
第二章 热弹性梁、板动力学分析与时变模态参数识别
2.1 引言
2.2 热弹性梁动力学建模
2.2.1 两端不可移动简支梁
2.2.2 端部可移动简支梁
2.2.3 有限元法则
2.3 热弹性板动力有限元建模
2.4 时变模态参数识别
2.4.1 时间序列模型
2.4.2 时变自回归模型
2.4.3 定阶与定维
2.4.4 模态参数的提取
2.5 数值仿真
2.5.1 算例 1. 热弹性梁
2.5.2 算例 2. 热弹性板
2.6 小结
第三章 基于模型修正方法的热弹性参数辨识
3.1 引言
3.2 问题描述
3.3 粒子群优化方法简介
3.4 基于FEMU的识别方法
3.4.1 参考温度环境下的优化目标函数
3.4.2 非定常温度环境下的优化目标函数
3.4.3 基于PSO-FEMU的识别方法
3.5 数值验证
3.5.1 模型描述
3.5.2 热模态分析
3.5.3 参考温度环境下的热弹性参数辨识
3.5.4 非定常温度环境下的热弹性参数辨识
3.6 小结
第四章 热弹性梁动力特性及模型修正的实验研究
4.1 引言
4.2 基于代理模型的热结构有限元模型修正
4.2.1 优化目标函数
4.2.2 Kriging代理模型
4.2.3 基于Kriging代理模型和粒子群优化的有限元模型修正
4.3 悬臂梁热模态试验
4.3.1 高温悬臂梁振动试验方案
4.3.2 第一组和第二组试验
4.3.3 第三组试验
4.3.4 第四组试验
4.4 悬臂梁有限元模型修正
4.4.1 有限元仿真与Kriging代理建模
4.4.2 热弹性梁模型修正步骤一
4.4.3 热弹性梁模型修正步骤二
4.4.4 热弹性梁模型修正步骤三
4.5 小结
第五章 非线性热弹性梁动力学特性分析
5.1 引言
5.2 基于ANCF描述的缩减梁单元
5.3 基于ANCF描述的热弹性缩减梁单元
5.4 动力学方程求解算法
5.5 基于ANCF描述的热弹性梁模态分析
5.6 基于ANCF描述的热弹性梁屈曲分析
5.6.1 特征值（线性）屈曲分析
5.6.2 非线性屈曲分析
5.7 数值算例
5.7.1 算例 1. 悬臂梁大变形及屈曲分析
5.7.2 算例 2. 双简支热弹性梁前屈曲以及后屈曲行为
5.7.3 算例 3. 热弹性梁非线性动响应及识别
5.8 小结
第六章 总结与展望
6.1 本文主要工作与贡献
6.2 未来工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Performance Comparison of Two Meta-Model for the Application to Finite Element Model Updating of Structures[J]. Yang Liu,De-Jun Wang,Jun Ma,Yang Li. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(03)
[2]基于区间B样条小波基函数时变多变量AR模型的时变结构参数识别[J]. 顾海雷,史治宇,许鑫. 振动与冲击. 2013(19)
[3]一种热模态试验技术的研究[J]. 崔嵩,贺旭东,陈怀海. 振动.测试与诊断. 2013(S2)
[4]多族群粒子群优化算法飞行器结构模型修正[J]. 于开平,刘荣贺. 振动与冲击. 2013(17)
[5]高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究[J]. 吴大方,赵寿根,潘兵,王岳武,王杰,牟朦,朱林. 力学学报. 2013(04)
[6]黏弹性薄膜太阳帆自旋展开动力学分析[J]. 赵将,刘铖,田强,胡海岩. 力学学报. 2013(05)
[7]不确定性热弹耦合梁的固有振动分析[J]. 张保强,陈国平,郭勤涛. 振动与冲击. 2012(19)
[8]高速巡航导弹翼面结构热-振联合试验研究[J]. 吴大方,赵寿根,潘兵,王岳武,牟朦,吴爽. 航空学报. 2012(09)
[9]高超声速飞行器结构热模态试验国外进展[J]. 程昊,李海波,靳荣华,吴振强,张伟. 强度与环境. 2012(03)
[10]超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究[J]. 吴大方,潘兵,高镇同,牟朦,朱林,王岳武. 实验力学. 2012(03)
博士论文
[1]柔性结构的自旋动力学分析[D]. 赵将.南京航空航天大学 2013
[2]基于小波分析的线性时变结构参数识别方法研究[D]. 许鑫.南京航空航天大学 2012
[3]基于绝对节点坐标方法的柔性多体系统动力学研究与应用[D]. 田强.华中科技大学 2009
[4]热传导与结构耦合系统的灵敏度分析及优化设计[D]. 陈飚松.大连理工大学 2002
[5]时变结构动力学数值方法及其模态参数识别方法研究[D]. 于开平.哈尔滨工业大学 2000
硕士论文
[1]典型金属热防护结构的模态实验和热振动特性仿真分析[D]. 杨学良.南京航空航天大学 2012
[2]热效应对结构固有振动特性影响研究[D]. 王宏宏.南京航空航天大学 2009
[3]基于Hilbert-Huang变换和局部均值分解的时变结构模态参数识别[D]. 宋斌华.中南大学 2009
[4]Hilbert-Huang变换及其在线性时变结构模态参数识别中的应用[D]. 刘建军.中南大学 2007
本文编号：3489607
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 热弹性梁、板建模与分析研究现状
1.3 时变模态参数识别研究现状
1.3.1 时频分析法
1.3.2 时域分析方法
1.4 结构动力学模型修正研究现状
1.5 结构热模态试验技术研究现状
1.5.1 国外结构热模态试验技术研究现状
1.5.2 国内结构热模态试验技术研究现状
1.6 本文的主要研究工作及内容安排
第二章 热弹性梁、板动力学分析与时变模态参数识别
2.1 引言
2.2 热弹性梁动力学建模
2.2.1 两端不可移动简支梁
2.2.2 端部可移动简支梁
2.2.3 有限元法则
2.3 热弹性板动力有限元建模
2.4 时变模态参数识别
2.4.1 时间序列模型
2.4.2 时变自回归模型
2.4.3 定阶与定维
2.4.4 模态参数的提取
2.5 数值仿真
2.5.1 算例 1. 热弹性梁
2.5.2 算例 2. 热弹性板
2.6 小结
第三章 基于模型修正方法的热弹性参数辨识
3.1 引言
3.2 问题描述
3.3 粒子群优化方法简介
3.4 基于FEMU的识别方法
3.4.1 参考温度环境下的优化目标函数
3.4.2 非定常温度环境下的优化目标函数
3.4.3 基于PSO-FEMU的识别方法
3.5 数值验证
3.5.1 模型描述
3.5.2 热模态分析
3.5.3 参考温度环境下的热弹性参数辨识
3.5.4 非定常温度环境下的热弹性参数辨识
3.6 小结
第四章 热弹性梁动力特性及模型修正的实验研究
4.1 引言
4.2 基于代理模型的热结构有限元模型修正
4.2.1 优化目标函数
4.2.2 Kriging代理模型
4.2.3 基于Kriging代理模型和粒子群优化的有限元模型修正
4.3 悬臂梁热模态试验
4.3.1 高温悬臂梁振动试验方案
4.3.2 第一组和第二组试验
4.3.3 第三组试验
4.3.4 第四组试验
4.4 悬臂梁有限元模型修正
4.4.1 有限元仿真与Kriging代理建模
4.4.2 热弹性梁模型修正步骤一
4.4.3 热弹性梁模型修正步骤二
4.4.4 热弹性梁模型修正步骤三
4.5 小结
第五章 非线性热弹性梁动力学特性分析
5.1 引言
5.2 基于ANCF描述的缩减梁单元
5.3 基于ANCF描述的热弹性缩减梁单元
5.4 动力学方程求解算法
5.5 基于ANCF描述的热弹性梁模态分析
5.6 基于ANCF描述的热弹性梁屈曲分析
5.6.1 特征值（线性）屈曲分析
5.6.2 非线性屈曲分析
5.7 数值算例
5.7.1 算例 1. 悬臂梁大变形及屈曲分析
5.7.2 算例 2. 双简支热弹性梁前屈曲以及后屈曲行为
5.7.3 算例 3. 热弹性梁非线性动响应及识别
5.8 小结
第六章 总结与展望
6.1 本文主要工作与贡献
6.2 未来工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Performance Comparison of Two Meta-Model for the Application to Finite Element Model Updating of Structures[J]. Yang Liu,De-Jun Wang,Jun Ma,Yang Li. Journal of Harbin Institute of Technology. 2014(03)
[2]基于区间B样条小波基函数时变多变量AR模型的时变结构参数识别[J]. 顾海雷,史治宇,许鑫. 振动与冲击. 2013(19)
[3]一种热模态试验技术的研究[J]. 崔嵩,贺旭东,陈怀海. 振动.测试与诊断. 2013(S2)
[4]多族群粒子群优化算法飞行器结构模型修正[J]. 于开平,刘荣贺. 振动与冲击. 2013(17)
[5]高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究[J]. 吴大方,赵寿根,潘兵,王岳武,王杰,牟朦,朱林. 力学学报. 2013(04)
[6]黏弹性薄膜太阳帆自旋展开动力学分析[J]. 赵将,刘铖,田强,胡海岩. 力学学报. 2013(05)
[7]不确定性热弹耦合梁的固有振动分析[J]. 张保强,陈国平,郭勤涛. 振动与冲击. 2012(19)
[8]高速巡航导弹翼面结构热-振联合试验研究[J]. 吴大方,赵寿根,潘兵,王岳武,牟朦,吴爽. 航空学报. 2012(09)
[9]高超声速飞行器结构热模态试验国外进展[J]. 程昊,李海波,靳荣华,吴振强,张伟. 强度与环境. 2012(03)
[10]超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究[J]. 吴大方,潘兵,高镇同,牟朦,朱林,王岳武. 实验力学. 2012(03)
博士论文
[1]柔性结构的自旋动力学分析[D]. 赵将.南京航空航天大学 2013
[2]基于小波分析的线性时变结构参数识别方法研究[D]. 许鑫.南京航空航天大学 2012
[3]基于绝对节点坐标方法的柔性多体系统动力学研究与应用[D]. 田强.华中科技大学 2009
[4]热传导与结构耦合系统的灵敏度分析及优化设计[D]. 陈飚松.大连理工大学 2002
[5]时变结构动力学数值方法及其模态参数识别方法研究[D]. 于开平.哈尔滨工业大学 2000
硕士论文
[1]典型金属热防护结构的模态实验和热振动特性仿真分析[D]. 杨学良.南京航空航天大学 2012
[2]热效应对结构固有振动特性影响研究[D]. 王宏宏.南京航空航天大学 2009
[3]基于Hilbert-Huang变换和局部均值分解的时变结构模态参数识别[D]. 宋斌华.中南大学 2009
[4]Hilbert-Huang变换及其在线性时变结构模态参数识别中的应用[D]. 刘建军.中南大学 2007
本文编号：3489607
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