專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)

沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書PAGEPAGE24專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)說明書是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行存檔，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編論文。作者簽名：日期：摘要上個(gè)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(shí)驗(yàn)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)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(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(diǎn) 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(jìn)行模態(tài)分析 153.1實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備 153.2試驗(yàn)數(shù)據(jù) 153.3模擬數(shù)據(jù) 163.4試驗(yàn)?zāi)康?16第四章采用參數(shù)型修正法進(jìn)行修正 174.1修正第二階 174.2第四—九階修正 18第五章實(shí)驗(yàn)總結(jié) 19第四章心得 20參考文獻(xiàn) 21致謝 22LISTOFFIGURES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(shí)驗(yàn)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)………………19LISTOFTABLES表1幾何點(diǎn)的坐標(biāo)值…………9表2模型初始數(shù)據(jù)…………9表1.幾何點(diǎn)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7e100.3327000.0150.360.340.20第一章緒論1.1本文研究的工程背景和意義在工程實(shí)際中，機(jī)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(jī)械行業(yè)的機(jī)床、各種交通工具等都以某種形態(tài)進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)建模和理論建模（一般為有限元建模）。實(shí)驗(yàn)建模是在具備實(shí)際結(jié)構(gòu)或者樣機(jī)的條件下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)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(jìn)而了解其動態(tài)特性。上個(gè)世紀(jì)60年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計(jì)算技術(shù)呈現(xiàn)嶄新的面貌，推動了實(shí)驗(yàn)建模技術(shù)的高速發(fā)展，但是通過實(shí)驗(yàn)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(shí)要求有實(shí)際結(jié)構(gòu)或者樣機(jī)這一條件客觀上提高了實(shí)驗(yàn)建模的成本，這一點(diǎn)在需要對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估比較時(shí)顯得尤其突出——對于復(fù)雜系統(tǒng)不可能對每一個(gè)設(shè)計(jì)方案都逐一制造樣機(jī)。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(gè)先驗(yàn)的理論模型作為參考。與實(shí)驗(yàn)建模不同，理論建模在設(shè)計(jì)的圖紙階段就可以實(shí)現(xiàn)，不一定要有實(shí)際結(jié)構(gòu)。目前工程中常用有限元方法來進(jìn)行理論建模。有限元方法采用離散化的思想，把連續(xù)系統(tǒng)離散成一個(gè)在節(jié)點(diǎn)上相互關(guān)聯(lián)的離散結(jié)構(gòu)。近五十年來，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)值計(jì)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(shí)難以滿足預(yù)測結(jié)構(gòu)相應(yīng)、評估設(shè)計(jì)方案等工程需求，有限元模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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)確獲得；(3)有限元理論本身的誤差，有限元本身是一個(gè)離散模型，與實(shí)際構(gòu)件相比存在離散化誤差，同時(shí)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(shí)驗(yàn)誤差主要包括：(1)實(shí)驗(yàn)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(jìn)建模技術(shù)或計(jì)算的方法來消除，在工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確和可靠，因此需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用模型修正技術(shù)對有限元模型進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)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。修正后模型可以更可靠地預(yù)測機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的辦法。結(jié)構(gòu)星實(shí)驗(yàn)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(jìn)行新型航天器設(shè)計(jì)時(shí)，只需要對新型航天器做部分的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，省掉整體的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方法可以有效地節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用背景。1.2有限元模型修正技術(shù)的發(fā)展過程從1958年為解決飛機(jī)地面共振實(shí)驗(yàn)中測量振型的正交化，提出依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正飛機(jī)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(gè)能夠?qū)C(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)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(shí)驗(yàn)測點(diǎn)與有限元節(jié)點(diǎn)不能完全對應(yīng)。首先，某個(gè)測點(diǎn)未必與有限元模型的某一節(jié)點(diǎn)對應(yīng)。這個(gè)問題容易解決，只要有限元建模的時(shí)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(shí)驗(yàn)測量的自由度要多。完成模型匹配后，需要進(jìn)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(jìn)行模型修正；如果相關(guān)性不好，則需要對有限元模型進(jìn)行修正。相關(guān)性不好時(shí)需要進(jìn)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(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對選定的修正對象進(jìn)行修改。一個(gè)良好的修正結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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，解決了不少理論與實(shí)際問題。但迄今為止還沒有一個(gè)公認(rèn)用于工程實(shí)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(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)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(shí)際情況、基于靈敏度分析的模型修正方法需要進(jìn)行迭代運(yùn)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(jì)算將消耗大量計(jì)算時(shí)間這三個(gè)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(diǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)見表12.1.2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newsetname選項(xiàng)中輸入disp，單擊inputdata按鈕，在translations<T1T2T3>和Rotation<R1R2R3>輸入框中都設(shè)置為<000>,單擊OK按鈕；單擊selectapplicationregion，在geometryfilter選項(xiàng)中選擇geometry，單擊選中結(jié)點(diǎn)（000）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，materialname：mat，單擊打開inputproperties按鈕對應(yīng)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(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>2DSolid。在propertysetname中輸入plate，option選項(xiàng)選擇planestrain，Standardformulation，打開inputproperties按鈕對應(yīng)的面板，在Matpropname中選擇mat，單擊OK按鈕，在applicationregion選項(xiàng)框，選擇視圖中的曲面，點(diǎn)擊add、apply按鈕，完成定義單元屬性。第三章進(jìn)行模態(tài)分析3.1實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備圖6.試驗(yàn)設(shè)備3.2試驗(yàn)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(yàn)?zāi)康哪康膶⒃囼?yàn)第二階以及第四—九階的數(shù)據(jù)修正到試驗(yàn)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(jìn)行修正4.1修正第二階經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終確定第二階修正參數(shù)為：圖8.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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為1.3%，故達(dá)到實(shí)驗(yàn)?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(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差不超過±5%，故達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹５谖逭聦?shí)驗(yàn)總結(jié)在查閱過大量論文之后，通過三周的時(shí)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(diǎn)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(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：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