基于本征正交分解的网格加筋筒壳模型降阶方法

针对网格加筋筒壳结构动力响应分析效率低的问题,论文提出了一种基于本征正交分解技术的模型降阶方法.基本思路是通过静力分析获得原模型的节点位移场并组装成快照矩阵,利用本征正交分解技术提取快照矩阵的主成分作为转换矩阵,实现模型降阶.通过算例对比验证了论文提出的降阶模型具有较高的计算精度及效率,降阶模型的低阶频率计算结果与全阶模型十分吻合,高阶频率误差仅为1.01%,而计算时间为全阶模型的0.03%.最后以自由-固支的网格加筋筒为例,采用降阶模型计算其在不同激励下的振动响应,降阶模型的计算结果与全阶模型非常吻合,计算效率有明显提升.     

基于聚类算法和自由度集结的柔性结构模型降阶研究

提出了采用k-means聚类算法对动力相似自由度进行自动集结的模型降阶方法。考虑动力荷载空间分布,给出了根据模态参与系数选取原模型重要模态的方法,并讨论了次要方向自由度舍弃的方法。根据重要模态中各自由度振型值的相似性,应用聚类算法对自由度进行自动分类,从柔度矩阵元素的定义入手推导了结构矩阵显式条件下柔度法降阶的统一表达式,并证明了降阶模型的正定性、对称性及正交关系。最后通过一榀40层混凝土框架结构模型由240自由度降阶为8自由度的算例,说明了柔度法降阶的有效性及降阶模型评判指标的合理性。     

变质量非完整系统相对运动动力学方程的积分理论

本文研究变质量非线性非完整系统相对于非惯性系动力学的积分理论，给出其Ｒｏｕｔｈ降阶法，Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ降阶法，Ｐｏｉｎｃａｒｅ－Ｃａｒｔａｎ型积分变量关系和积分不变量。     

桁架系统的模型降阶及其主动控制研究

对桁架结构系统的模型降阶和主动控制进行了研究。系统模型采用有限元方法进行建模;模型降阶分别采用模态价值分析方法和内平衡降阶方法;控制设计采用最优控制方法。同时详细给出了模态价值分析方法和内平衡降阶方法的降阶过程,并将两者的结果进行了数值对比。仿真结果显示,两种降阶方法均能够有效地对桁架系统进行模型降阶,本文采用的最优控制律能够有效地抑制结构的振动。     

本征正交分解技术在屋盖风压场重建与预测中的应用

给出利用本征正交分解(POD)对屋盖风压场进行重建和预测的研究结果.对一个双坡屋盖用同步多点压力扫描系统进行了风洞试验,根据POD技术采用前若干阶本征模态重建屋盖风压场.采用两种方案预测未布置测压点位置的风压时间序列.第一种方案中利用插值技术获得没有测压点位置的本征模态值.第二种方案对参考屋盖和需预测的新屋盖分别进行试验,结合由参考屋盖试验萃取的本征模态和由新屋盖试验的风压数据计算的主坐标,预测出新屋盖未知区域的风压时间序列.文中对风压场重建和预测的效果作了分析,而且比较了根据测量的风压数据和预测的风压数据所计算的屋盖风致响应.     

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法.首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识.其次,引入状态和控制输入的非线性函数,采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比,进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明,该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.     

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法.首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识.其次,引入状态和控制输入的非线性函数,采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比,进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明,该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.     

非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望

非定常流场模型降阶技术的出现,为CFD／CSD耦合数值模拟方法在工程设计中的广泛应用提供了新机遇．在对非线性系统模型降阶理论与方法进行概述的基础上,全面系统地介绍了非定常流场降阶模型的国内外研究进展．按基于系统辨识的降阶模型和基于流场特征结构的降阶模型两大类进行评述,比较了各种降阶模型的优缺点并指出了进一步改进的思路．...     

捷联惯导系统传递对准误差模型降阶分析

针对捷联惯导系统(SINS)传递对准实际工程应用时的降阶建模问题,给出了速度匹配卡尔曼滤波器误差模型的降阶建模过程,分析模型降阶对传递对准误差估计精度的影响,通过将各状态量对滤波估计的影响等效成惯导系统的初始失准角,以量化的方式比较各状态量影响滤波精度的大小,从而为模型降阶提供依据.最后进行了数学仿真及试验验证,试验结果表明模型降阶方法是可行和有效的,降阶模型对失准角及陀螺漂移的估计精度能够达到模型降阶前的精度,达到了预期的效果,而且模型降阶后滤波器的计算量比降阶前减少了85%左右,大大提高了滤波器计算的实时性,满足实际工程应用的要求.     

大长细比导弹的气动弹性降阶模型

对于大长细比导弹,需要在设计阶段准确计算气动弹性/气动伺服弹性,但其复杂的气动力给计算带来困难,因此气动力降阶模型是突破大长细比导弹跨音速气动弹性分析与控制瓶颈的关键技术.虽然气动力模型降阶方法已在预测二维机翼结构的气动弹性方面取得重要进展,但几乎未见关于全机模型的气动力降阶模型研究报道.本文基于递归Wiener模型的气动力降阶方法,利用CFD计算的气动力作为模型辨识数据,用鲁棒子空间和Levenberg-Marquardt算法辨识降阶模型参数,建立了大长细比导弹气动力降阶模型.在此基础上与大长细比导弹有限元模型相结合,构造出气动弹性降阶模型,并在数值仿真中测试气动弹性降阶模型在不同马赫数下的适用性.数值仿真结果表明,该气动弹性降阶模型能够精确预测导弹模型在不同飞行条件下的非定常气动力和导弹模型的气动弹性频率响应特性.     

GPS/INS 组合导航系统降阶滤波器设计

本文研究了某型号飞机上ＧＰＳ／平台惯性组合导航系统中降阶卡尔曼滤波器的设计方法；提出一种降阶滤器结构，并讨论了模型误差的伪随机噪声补偿方法。采用蒙特—卡洛分析法对降阶滤波器的实际误差进行了数字仿真，结果表明，本文提出的这种降阶滤波器能保证组合系统的导航精度，而且具有实际使用价值     

基于边界元方法的气动弹性降阶模型及仿真

传统气动弹性的时域计算耗费了大量时间,为了提高计算效率,本文发展了基于边界元方法的降阶模型技术。首先基于边界元方法建立非定常流场的求解模型,结合特征值分析技术建立了非定常气动力的低阶模型;然后,利用边界元方法建立了气动网格和结构网格之间的信息转换矩阵;最后将非定常气动力降阶模型和结构动力学方程联合,建立了气动弹性系统的低阶状态空间模型。将所发展的降阶模型方法应用于NACA0012翼型的非定常气动力求解中,结果表明降阶模型可以在保证原系统计算精度的同时提高了计算效率;将降阶模型技术应用到三维机翼的气动弹性响应计算中,在系统阶数仅为12阶的情况下可以得到与原系统一致的极限环响应,说明降阶模型技术在求解气动弹性问题中的巨大优势。     

海洋平台地震响应的H∞控制

提出了将H_∞控制及平衡降阶法应用于结构主动控制的新方法.该方法首先利用平衡降阶法对结构进行降阶,然后利用降阶模型构造出H_∞控制器和H_∞观测器对结构进行控制;同时结合复模态理论和虚拟激励法,给出了系统分析的有效途径.本文最后以海洋平台地震响应的ATMD主动控制为例,验证了本文方法的有效性.     

Ritz-POD法的原理及应用

提出一种在频域内分析大跨度屋盖结构的风振响应的Ritz-POD法。该方法用本征正交分解法(POD法)分解脉动风压场,得到占优的前几阶本征模态作为荷载的空间分布形式;根据此荷载空间分布形式生成Ritz向量,用Ritz向量直接叠加法分析结构风振响应,以解决大跨度屋盖结构多振型参与振动且高阶振型对结构响应贡献可能较大这一问题。运用该方法分析一单层球面网壳的风振响应,并与振型分解法对比,结果表明Ritz-POD法仅用少量的Ritz向量进行结构风振响应分析便可达到较高精度。     

POD降阶方法在含局部非线性悬臂梁中的适应性分析

在非线性结构的振动控制设计中结构模型的阶数不宜过高，为此，本研究以含局部非线性的悬臂梁为研究对象，开展影响POD降阶方法所得低阶模型精度的研究。着重分析了非线性强弱、降阶模型的阶数、POD模态获取源信号的激振类型、响应信号的采样频率和响应信号采样时长等因素对降阶模型响应预测精度的影响。结果表明：对于强非线性的局部非线性悬臂梁系统，POD方法同样适用；在选取源信号的激振类型时，应避免选取脉冲激励信号；响应的采样频率与时长不一定要选取过大。最后，提出了一种针对含有噪声信号应用POD方法的解决方案，可为工程应用提供有益的参考。     

K-L法在结构模型降阶及辨识中的应用

模型辨识时，常需要对结构进行降阶处理，以减少辨识参数，降低计算难度，通过K-L(Karhunen-Loeve)特征值提取的方法对结构模型进行降阶，并通过最小二乘法辨识出降阶后系统的模态参数，可以大大减少辨识参数，降低计算复杂性；最后对一简支梁进行了数值仿真，得到一个3阶模型，辨识出简支梁的固有频率和模态阻尼比与解析解很接近。     

变厚度翼型的非定常气动力模型降阶及影响分析

建立了基于Kriging代理和递归算法的变厚度翼型气动力降阶模型,将滤波的高斯白噪声作为输入信号,采用计算流体力学(CFD)方法获得不同厚度下翼型的非定常气动力并将其作为降阶模型的训练样本。该降阶模型不仅大大提高了非定常气动力的计算效率,而且其预测得到的非定常响应的精度不低于92.01%。通过蒙特卡洛法的变厚度翼型全局灵敏度分析表明,俯仰运动是影响气动力波动的主要因素,俯仰与沉浮位移的耦合对气动力影响很小。考虑翼型变厚度时对翼面压力及分离点的影响,本文建立了压强系数的降阶模型。通过与CFD结果的对比,得到其精度为99.9995%,验证了降阶模型的正确性和有效性。     

尾流激励的叶片气动力降阶模型

气动力降阶模型是研究叶片气动弹性振动快速高效的新方法。现有气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方面,没有涉及更为常见的上游尾流激励的叶片振动问题。本文提出基于Volterra级数的尾流激励叶片气动力降阶模型,为尾流激励下叶片振动和动静叶干涉振动研究提供了新的思路。采用行波法简化尾流的参数个数,用阶跃信号法识别降阶模型的核函数。二维叶片的算例结果表明,本文方法可以较准确地描述尾流激励引起的叶片气动力振荡,而且计算效率极高。     

尾流激励的叶片气动力降阶模型

气动力降阶模型是研究叶片气动弹性振动快速高效的新方法。现有气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方面,没有涉及更为常见的上游尾流激励的叶片振动问题。本文提出基于Volterra级数的尾流激励叶片气动力降阶模型,为尾流激励下叶片振动和动静叶干涉振动研究提供了新的思路。采用行波法简化尾流的参数个数,用阶跃信号法识别降阶模型的核函数。二维叶片的算例结果表明,本文方法可以较准确地描述尾流激励引起的叶片气动力振荡,而且计算效率极高。     

基于特征正交分解的非定常气动力建模技术

采用特征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法, 建立了基于状态空间的非定常气动力降阶模型, 并耦合结构方程, 建立了降阶的气动弹性系统, 开展了颤振分析的初步研究, 计算效率提高了2~3个数量级. 具体过程是:首先获取全阶系统的频域快照构成关联矩阵, 通过对关联矩阵进行奇异值分解提取流场模态(或流场基), 对低能量模态截断形成降阶子空间, 并将其映射到全阶系统, 从而形成基于状态空间的降阶非定常气动力模型. 对气动弹性标模AGARD445.6进行算例验证, 证明了降阶方法正确, 可以提供高效、高精度的气动弹性分析.