基于响应面法的航天器有限元模型修正方法研究

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卫星在发射前,需要对其进行力学环境试验以保证其在轨正常运行。但实体卫星试验存在制造周期长、操作复杂、成本费用高等缺点,采用有限元软件进行模拟仿真分析的预示方法可以提高分析效率,节约研制成本。然而由于分析过程中存众多的不确定因素以及建模中引入了多种假设,有限元仿真计算的结果往往与真实试验数据之间存在一定的差异。因此,为了减小动力学特性预示的偏差,需要基于试验实测数据对初始有限元模型进行修正从而获得比较准确的有限元分析模型,以便代替实际结构进行分析计算及响应预测。本文提出了基于二次多项式响应面模型的参数型修正方法,同时考虑实际工程中的不确定性因素提出基于kriging模型的区间修正方法。具体研究内容如下:首先介绍了模型修正的基本流程及修正前的准备工作。包括基于ABAQUS的参数化批量建模仿真分析,试验数据与仿真结果的相关性分析。在模型修正环节提出了采用响应面法对模型进行修正。介绍了响应面法的基本理论及修正步骤,包括提试验设计方法、响应面形式、响应面有效性评价、目标函数及优化求解等环节。提出了采用正交试验设计并选择二次多项式响应面进行修正的方法并通过算例验证该修正方法的可行性。其次,基于二次多项式响应面模型对卫星本体模型进行有限元模型修正。建立了卫星有限元模型,并对于复杂结构进行合理简化或等效处理。对其进行模态分析,得到固有频率及振型;对试验、仿真结果数据进行相关性分析,初选参数并进行方差分析筛选显著性高的因素作为最终待修正参数,采用二次多项式响应面法进行模型修正。对修正效果进行评价,结果表明修正后的前6阶固有频率的相对误差由8%降至1%以下,证明了修正算法的可行性。最后,考虑到实际工程中出现的不确定性问题,进行了不确定性模型修正方法的研究。提出了采用kriging响应面模型来解决样本点不足带来的响应面模型不确定性问题以及概率修正、区间修正方法来解决参数不确定性的问题。并以卫星本体模型为例,综合考虑响应面形式不确定性及参数不确定性,采用基于kriging模型的区间修正方法对其进行修正。同时将两种修正方法的修正结果进行对比。结果显示kriging模型的修正效果优于二次多项式响应面模型。此外,考虑参数不确定的修正方法更具备实际意义且起到很好的预测效果。
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