沈陽航空航天大學課程設計說明書PAGEPAGE24專業綜合實驗課程設計說明書衛星適配器有限元模型修正院系航空航天工程學部（院）專業飛行器設計與工程（空間）班號24030601學號2012040306019姓名王昊指導教師楊靖宇沈陽航空航天大學2015年10月承諾書本人聲明所呈交的課程設計說明書是本人在導師指導下進行的設計工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發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或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。本人授權沈陽航空航天大學可以將論文的全部或部分內容進行存檔，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編論文。作者簽名：日期：摘要上個世紀70年代以來，有限元模型修正技術得到了迅速發展，并在工程領域廣泛應用于改善有限元模型與實驗數據的相關性、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矩陣而面臨修正后物理含義模糊的問題；參數型修正法則是合理的修改參數。本次課設采用的便是參數型修正法。關鍵詞：有限元模型修正、修改參數ABSTRACTSince70'slastcentury,thefiniteelementmodelmodificationtechnologyhasbeendevelopedrapidly,anditiswidelyusedinengineeringfieldtoimprovethecorrelationbetweenthefiniteelementmodelandtheexperimentaldataandimprovetheaccuracyandreliabilityofthefiniteelementmodel.Atpresent,themethodofmodelcorrectioncanbedividedintothematrixcorrectionmethodandthemodifiedmethod.Whichisaproblemwiththemodifiedobjectasthesystemmatrixoffiniteelementmodel,andthemodifiedobjectistheproblemofthefuzzyphysicalmeaning.Thiscourseisdesignedtousetheparametertypecorrectionmethod.Keywords:finiteelementmodelmodification、modifyingparameters目錄TOC\o"1-3"\h\u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的發展過程 101.3有限元模型修正的基本思路 101.4有限元模型修正領域存在的問題 11第二章幾何模型建模 112.1創建幾何模型 112.1.1創建點 112.1.2創建曲線 122.1.3創建模型 122.2設置邊界條件 132.3定義材料屬性 132.4定義單元屬性 14第三章進行模態分析 153.1實驗室試驗設備 153.2試驗數據 153.3模擬數據 163.4試驗目的 16第四章采用參數型修正法進行修正 174.1修正第二階 174.2第四—九階修正 18第五章實驗總結 19第四章心得 20參考文獻 21致謝 22LISTOFFIGURES圖1.創建曲線指令…………13圖2.創建曲線并劃分單元…………………..……13圖3.衛星適配器模型…………………...…14圖4.設置邊界條件…………………14圖5.材料屬性…………15圖6.實驗設備……………………16圖7.模擬數據………………..17圖8.第二階修正參數………………18圖9.第二階修正數據………………18圖10.第四—九階修正參數………………19圖11.第四—九階修正數據………………19LISTOFTABLES表1幾何點的坐標值…………9表2模型初始數據…………9表1.幾何點的坐標序號X坐標Y坐標Z坐標10.340020.200.3603000表2.模型初始數據彈性模量泊松比密度厚度高度上底半徑下地半徑7e100.3327000.0150.360.340.20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，機器設備往往處于振動環境中工作，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、機械行業的機床、各種交通工具等都以某種形態進行振動。改善、控制和利用這些振動對于國防建設、航天航空技術研究以及工業技術的進一步發展都具有重大意義。要改善、控制和利用這些振動，首先需要建立準確的數學模型描述系統的動態特性。獲取結構數學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構或者樣機的條件下，對結構進行實際測試，利用采集的測試數據和相應的識別技術識別出結構的模態參數，進而了解其動態特性。上個世紀60年代以來，計算機技術的飛速發展使得實驗數據處理和數值計算技術呈現嶄新的面貌，推動了實驗建模技術的高速發展，但是通過實驗手段直接識別結構物理參數的方法目前局限于小型、低階系統，同時要求有實際結構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計方案進行評估比較時顯得尤其突出——對于復雜系統不可能對每一個設計方案都逐一制造樣機。此外，如何合理配置結構物理參數以獲得需要的動態或靜態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，理論建模在設計的圖紙階段就可以實現，不一定要有實際結構。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，把連續系統離散成一個在節點上相互關聯的離散結構。近五十年來，隨著計算機及數值計算方法的高速發展，有限元技術日益成熟并在工程中廣泛應用。但是工程應用表明，有限元模型有時難以滿足預測結構相應、評估設計方案等工程需求，有限元模型的計算結果與實驗測試數據之間存在一定的差別。產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構；(2)建模參數的設置存在誤差，比如材料的密度、楊氏模量、構件的幾何尺寸等，受各種因素的影響未能準確獲得；(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或計算的方法來消除，在工程應用中，一般認為實驗數據更為準確和可靠，因此需要依據實驗數據利用模型修正技術對有限元模型進行修正，提高有限元模型的可靠性。模型修正技術可以根據實驗數據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等。修正后模型可以更可靠地預測機構的動態特性。隨著工業的不斷發展，工程應用對有限元模型可靠性的要求不斷提高，利用實驗數據修正有限元模型的模型修正技術日益受到重視。有限元模型修正技術廣泛應用在工程領域。在航空航天工程領域中，為了了解航天器在極端載荷情況下的力學行為，通常采用足尺結構星實驗的辦法。結構星實驗方法用于結構的分析和力學行為預測，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計時，只需要對新型航天器做部分的結構實驗，利用實驗結果對有限元模型進行驗證和修正，省掉整體的結構實驗。這種結構設計新方法可以有效地節約研制經費、縮短研制周期，具有明顯的經濟效益和工程應用背景。1.2有限元模型修正技術的發展過程從1958年為解決飛機地面共振實驗中測量振型的正交化，提出依據實驗數據修正飛機結構的柔度矩陣以來，有限元模型修正取得了飛速的發展。按修正對象區分，有限元模型修正主要分為矩陣型修正法和參數型修正法兩大類。1.3有限元模型修正的基本思路模型修正的目標是得到一個能夠對機械結構的動態特性進行準確可靠預測的有限元模型。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點不能完全對應。首先，某個測點未必與有限元模型的某一節點對應。這個問題容易解決，只要有限元建模的時候合適地劃分網格即可。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。完成模型匹配后，需要進行相關性檢查，一般是檢查頻率的相關性和模態的相關性。如果相關性好，則有限元模型是可靠的無，需進行模型修正；如果相關性不好，則需要對有限元模型進行修正。相關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，哪些是準確的，不需要修正的。選擇修正對象的方法是模型修正領域的一個研究熱點和難點，修正對象選取不同，修正的結果往往也不同。模型修正的最后一步是利用實驗數據對選定的修正對象進行修改。一個良好的修正結果與實驗數據有著良好的相關性及物理意義。1.4有限元模型修正領域存在的問題近四十年來，結構有限元模型修正得到了長足發展，結構有限元模型修正提出了很多方法，解決了不少理論與實際問題。但迄今為止還沒有一個公認用于工程實際的成熟的模型修正方法，結構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、實驗模態不完備、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。而本次課設主要采用的是參數型修正法，目前參數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、模態與實驗數據的相關性不一定得到改善、修正對參數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，這就面臨數值發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創建幾何模型2.1.1創建點點的坐標見表12.1.2創建曲線如圖1，圖2所示創建曲線圖1.創建曲線指令圖2.創建曲線并劃分單元2.1.3創建模型使用sweep指令創建模型圖3.衛星適配器模型2.2設置邊界條件單擊loads應用工具按鈕，Action>Create,Object>Displacement,Type>Nodal。在newsetname選項中輸入disp，單擊inputdata按鈕，在translations<T1T2T3>和Rotation<R1R2R3>輸入框中都設置為<000>,單擊OK按鈕；單擊selectapplicationregion，在geometryfilter選項中選擇geometry，單擊選中結點（000）完成邊界條件創建。圖4.設置邊界條件2.3定義材料屬性單擊materials應用工具按鈕，Action>Create,Object>Isotropic,Method>Mannual。Input，materialname：mat，單擊打開inputproperties按鈕對應的面板，constitutionmodel選擇linearElastic，在Elasticmodulus中輸入7e10，在poissonration中輸入0.33，密度為2700，單擊OK、apply按鈕，完成材料的創建。圖5.材料屬性2.4定義單元屬性單擊properties應用工具按鈕，Action>Create,Object>2D,Method>2DSolid。在propertysetname中輸入plate，option選項選擇planestrain，Standardformulation，打開inputproperties按鈕對應的面板，在Matpropname中選擇mat，單擊OK按鈕，在applicationregion選項框，選擇視圖中的曲面，點擊add、apply按鈕，完成定義單元屬性。第三章進行模態分析3.1實驗室試驗設備圖6.試驗設備3.2試驗數據第一階：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模擬數據按照第二章中的步驟創建的模型模擬出的數據如下：圖7.模擬數據3.4試驗目的目的將試驗第二階以及第四—九階的數據修正到試驗數據，要求誤差在±5%之內。第四章采用參數型修正法進行修正4.1修正第二階經過大量試驗數據，最終確定第二階修正參數為：圖8.第二階修正參數圖9.第二階修正數據從圖中可看到修正的第二階頻率為216.62，與實驗數據誤差為1.3%，故達到實驗目的。4.2第四—九階修正有過之前單階頻率的修正，總結經驗之后將四至九階一起修正，最終確定修正參數為：圖10.第四—九階修正參數圖11.第四—九階修正數據從圖中可看到修正各階頻率均與實驗數據誤差不超過±5%，故達到實驗目的。第五章實驗總結在查閱過大量論文之后，通過三周的時間在電腦前對于衛星適配器有限元模型的修正，我總結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習和工作都有很大的幫助，以下列出總結出的幾點經驗：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