[发明专利]一种基于动力学响应辨识的大柔性结构降阶模型建模方法

说明书

本发明公开了一种基于动力学响应辨识的大柔性结构降阶模型建模方法，将非线性结构动力学方程以等时间间隔进行离散化，形成广义坐标离散序列，然后对其进行离散傅里叶变换，形成频域变换序列，交换移动方程部分项顺序构成线性方程组，利用模态组合乘比例系数的方式构建测试载荷加载于结构上计算动力学响应，提前动响应数据后求方程组的最小二乘解即可给出非线性刚度系数，建立非线性结构降阶模型。本发明构建的基于动力学响应辨识的大柔性结构降阶模型，与传统的基于静力学响应数据辨识的大柔性结构降阶模型相比，利用结构动力学响应数据样本进行非线性刚度系数的辨识，可以提供更准确的结构动力学特性信息。

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种基于动力学响应辨识的大柔性结构降阶模型建模方法。

背景技术

现代飞行器设计对于飞行性能的要求不断提高，以高空长航时无人机、飞翼布局无人机为代表的大柔性飞行器，自20世纪90年代以来逐渐成为各航空大国的研究重点。该类飞行器能够以更灵活的方式不间断地执行诸如军事侦察、民用科学探索及通信中继等任务，具有远超传统飞行器的飞行高度及续航能力，具有广阔的应用前景。由于其飞行性能的要求，大柔性飞行器通常利用较大的机翼展弦比来提高升阻比，同时在结构设计汇总增加复合材料比例，这些因素导致这类飞行器相对结构重量低、柔性大，气动力加载引起的结构变形较大，带来结构几何非线性问题。

结构建模是气动弹性分析中的核心问题，准确的大变形结构建模方法是几何非线性气动弹性分析的基础。大变形梁理论与非线性有限元模型是传统几何非线性气动弹性系统中经常使用的两类大柔性结构建模方法。气动弹性理论分析中经常使用大变形梁理论进行结构建模，其计算效率高，系统阶数低，但模型适用性差，只能用于简单模型的分析。非线性有限元模型是工程分析中经常使用的大柔性结构建模方法，其模型适用性强，可以应用于复杂结构模型的分析计算，但模型自由度数大，非线性阶数高，收敛性差计算效率，且难以对结构动力学特性进行机理性研究。非线性结构降阶模型是一种能够较好的平衡求解效率、计算精度及复杂模型适用性的大柔性结构建模方法。非线性结构降阶模型中，将非线性刚度表达为广义坐标多项式形式，利用回归分析方法求解非线性刚度系数给出结构动力学方程。

在“Static aeroelastic analysis including geometric nonlinearitesbased on reduced order model”Xie Changchuan等，《Chinese Journal ofAeronautics》,第638-650页，20170216中，将非线性结构降阶模型引入几何非线性静气动弹性分析，构建静气动弹性分析框架。在“Flutter and gust response analysis of awing model including geometric nonlinearities based on a modified structuralROM”An Chao等，《Chinese Journal of Aeronautics》,第48-63页，20190731以及公开号为CN112580241A的专利“一种基于结构降阶模型的非线性气动弹性动响应分析方法”中，将非线性结构降阶模型引入颤振与阵风分析。在公开号为CN112580240A的专利“一种适用于复杂大柔性飞机建模的非线性子结构方法”中，将非线性结构降阶模型引入子结构方法中，形成适用于复杂全机的大柔性结构建模方法。上述研究中，在计算非线性结构降阶模型中的非线性刚度系数前，在非线性有限元软件中计算一定数量的静力学载荷变形样本，在这些样本基础上，通过回归分析方法求解非线性刚度系数。虽然非线性静力学分析在得到样本时计算效率高，但是基于静力学数据的非线性刚度系数辨识使得系统动力学特性有一定程度的损失，不能提供完整准确的结构动力学特性信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于动力学响应辨识的大柔性结构降阶模型建模方法，用以克服现有大柔性结构降阶模型建模中只用到静力学响应数据做辨识样本导致结构动力学特征无法被准确捕捉的不足，建立适用于大柔性结构变形分析的结构降阶模型。