薄壁结构分布动载荷识别技术研究

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外载荷信息是工程结构设计和状态监测的重要依据,受限于载荷测量技术和结构的服役环境,很多情况下难以直接测量结构外部的动载荷。基于实测结构响应的载荷识别方法是获取外部激励的重要手段。传统的动载荷识别方法一般将外部载荷等效为集中激励,然而实际工程中很多动载荷,如飞行器外部的气动载荷、海洋平台所承受的海浪冲击、高层建筑表面的风载荷等,具有分布、随机的特征。现有的分布动载荷识别方法只适用于规则表面上分布动载荷获取,对具有空间相关性的分布随机动载荷的识别精度差、效率低。针对上述问题,本文开展了薄壁结构分布动载荷识别新技术研究,具体工作如下:首先,针对现有方法难以实现复杂结构表面分布动载荷识别的问题,提出了一种基于子区域插值的分布动载荷识别方法。通过将载荷作用区域划分为多个子区域,在每个子区域内通过二维插值基函数拟合载荷空间分布函数。利用修正后的Green函数建立插值基函数系数和测点响应间的传递关系,将分布动载荷识别问题转化为基函数系数的识别问题。以悬臂板结构和不规则平面结构为对象开展数值仿真研究,验证了识别方法的有效性,并讨论了测点位置、噪声水平、采样频率对载荷识别精度的影响,最后对三维壁板结构开展局部分布动载荷识别试验研究。结果表明,相较于现有方法,基于子区域插值的分布动载荷识别方法可以应用于复杂几何特征的平面结构上具有复杂空间分布的动载荷识别问题,且识别算法具有较好的抗噪能力。其次,针对现有方法在识别空间相关分布随机动载荷识别精度差效率低的问题,提出了一种在距离空间内识别分布随机动载荷互功率谱密度函数的新方法。首先由二维勒让德正交多项式叠加拟合距离空间内分布随机动载荷的功率谱密度函数,在频域内建立正交多项式系数与测点响应的自功率谱密度函数间的关系,由测点响应的自功率谱密度函数识别正交多项式的系数,进而重构出分布随机动载荷。以四边简支板结构为对象开展识别算法的仿真验证,讨论了测量噪声、测点布置和载荷相关长度等参数对识别结果的影响。结果表明识别算法具有一定的抗噪能力,识别精度受载荷相关长度影响。进一步,通过识别简支板上的湍流边界层激励和三维机翼结构上的阵风载荷,验证了识别算法在复杂载荷和复杂结构识别工况中的有效性。最后,提出了一种考虑空间相关性的非平稳分布随机动载荷识别方法。将分布随机动载荷视为多维非平稳随机过程,由二维勒让德正交多项式叠加拟合动载荷的空间分布函数,利用动力学方程中随机过程的K-L展开和随机变量间正交性将分布随机动载荷识别问题转化为确定性系数的识别问题。在随机空间内构造随机动响应协方差矩阵的K-L成份与分布随机动载荷模型中待识别确定性系数的关系,识别相关系数并重构分布随机动载荷。以四边简支板结构为对象开展了识别算法的仿真验证,讨论了测量噪声、随机响应K-L截断阶次和载荷相关长度对识别结果精度的影响。通过识别三维机翼结构上的非平稳阵风载荷,验证了载荷识别算法应用于曲面薄壁结构非平稳分布动载荷识别的可行性。
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