专业综合实验.docx
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专业综合实验
专业综合实验课程设计说明书
卫星适配器有限元模型修正
院系航空航天工程学部（院）
专业飞行器设计与工程（空间）
班号24030601
学号2012040306019
姓名王昊
指导教师杨靖宇
沈阳航空航天大学
2015年10月
承诺书
本人声明所呈交的课程设计说明书是本人在导师指导下进行的设计工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
本人授权沈阳航空航天大学可以将论文的全部或部分内容进行存档，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文。
作者签名：
日期：
摘要
上个世纪70年代以来，有限元模型修正技术得到了迅速发展，并在工程领域广泛应用于改善有限元模型与实验数据的相关性、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对象可分为矩阵型修正法和参数型修正法。
其中矩阵型修正法由于修正对象为有限元模型的系统矩阵而面临修正后物理含义模糊的问题；参数型修正法则是合理的修改参数。
本次课设采用的便是参数型修正法。
关键词：
有限元模型修正、修改参数
ABSTRACT
Since70'slastcentury,thefiniteelementmodelmodificationtechnologyhasbeendevelopedrapidly,anditiswidelyusedinengineeringfieldtoimprovethecorrelationbetweenthefiniteelementmodelandtheexperimentaldataandimprovetheaccuracyandreliabilityofthefiniteelementmodel.Atpresent,themethodofmodelcorrectioncanbedividedintothematrixcorrectionmethodandthemodifiedmethod.Whichisaproblemwiththemodifiedobjectasthesystemmatrixoffiniteelementmodel,andthemodifiedobjectistheproblemofthefuzzyphysicalmeaning.Thiscourseisdesignedtousetheparametertypecorrectionmethod.
Keywords:
finiteelementmodelmodification、modifyingparameters
目录
第一章绪论8
1.1本文研究的工程背景和意义8
1.2有限元模型修正技术的发展过程10
1.3有限元模型修正的基本思路10
1.4有限元模型修正领域存在的问题11
第二章几何模型建模11
2.1创建几何模型11
2.1.1创建点11
2.1.2创建曲线12
2.1.3创建模型12
2.2设置边界条件13
2.3定义材料属性13
2.4定义单元属性14
第三章进行模态分析15
3.1实验室试验设备15
3.2试验数据15
3.3模拟数据16
3.4试验目的16
第四章采用参数型修正法进行修正17
4.1修正第二阶17
4.2第四—九阶修正18
第五章实验总结19
第四章心得20
参考文献21
致谢22
LISTOFFIGURES
图1.创建曲线指令…………………………………………………………........................13
图2.创建曲线并划分单元…………………………………..…..................................…13
图3.卫星适配器模型…………………………………...…………….......................……14
图4.设置边界条件……………………………………………....................................……14
图5.材料属性…………………………………………………………..................................15
图6.实验设备……………………………………………………..................………………16
图7.模拟数据…………………………………………………........................……………..17
图8.第二阶修正参数……………………………………………..................................…18
图9.第二阶修正数据…………………………………………..................................……18
图10.第四—九阶修正参数…………………………….....................…………………19
图11.第四—九阶修正数据………………………………………….....................……19
LISTOFTABLES
表1几何点的坐标值………………………………………………………….....................9
表2模型初始数据…………………………………………………………..........................9
表1.几何点的坐标
序号
X坐标
Y坐标
Z坐标
1
0.34
0
0
2
0.20
0.36
0
3
0
0
0
表2.模型初始数据
弹性模量
泊松比
密度
厚度
高度
上底半径
下地半径
7e10
0.33
2700
0.015
0.36
0.34
0.20
第一章绪论
1.1本文研究的工程背景和意义
在工程实际中，机器设备往往处于振动环境中工作，如航空航天中的飞行器、航海中的船舶、土木工程的桥梁与房屋、机械行业的机床、各种交通工具等都以某种形态进行振动。
改善、控制和利用这些振动对于国防建设、航天航空技术研究以及工业技术的进一步发展都具有重大意义。
要改善、控制和利用这些振动，首先需要建立准确的数学模型描述系统的动态特性。
获取结构数学模型主要有两种方式：
实验建模和理论建模（一般为有限元建模）。
实验建模是在具备实际结构或者样机的条件下，对结构进行实际测试，利用采集的测试数据和相应的识别技术识别出结构的模态参数，进而了解其动态特性。
上个世纪60年代以来，计算机技术的飞速发展使得实验数据处理和数值计算技术呈现崭新的面貌，推动了实验建模技术的高速发展，但是通过实验手段直接识别结构物理参数的方法目前局限于小型、低阶系统，同时要求有实际结构或者样机这一条件客观上提高了实验建模的成本，这一点在需要对不同设计方案进行评估比较时显得尤其突出——对于复杂系统不可能对每一个设计方案都逐一制造样机。
此外，如何合理配置结构物理参数以获得需要的动态或静态特性客观上也需要一个先验的理论模型作为参考。
与实验建模不同，理论建模在设计的图纸阶段就可以实现，不一定要有实际结构。
目前工程中常用有限元方法来进行理论建模。
有限元方法采用离散化的思想，把连续系统离散成一个在节点上相互关联的离散结构。
近五十年来，随着计算机及数值计算方法的高速发展，有限元技术日益成熟并在工程中广泛应用。
但是工程应用表明，有限元模型有时难以满足预测结构相应、评估设计方案等工程需求，有限元模型的计算结果与实验测试数据之间存在一定的差别。
产生这些差别的因素来自两方面，一方面是有限元建模误差，一方面是实验误差。
有限元建模误差主要包括：
（1）建模简化带来误差，在工程应用建立有限元模型时，不可避免地存在建模简化，比如航天航空工程中的太阳翼模型中常用梁单元来代替实际的合页结构；
（2）建模参数的设置存在误差，比如材料的密度、杨氏模量、构件的几何尺寸等，受各种因素的影响未能准确获得；（3）有限元理论本身的误差，有限元本身是一个离散模型，与实际构件相比存在离散化误差，同时有限元模型方法往往建立在一些假定的基础上，这些假定本身也会带来误差。
实验误差主要包括：
（1）实验设备的固有误差；
（2）测试条件带来的误差，比如边界的支撑与理想状态之间总存在差别、信号传输受噪声干扰等；（3）测试人员带来的人为误差等。
这些差别难以通过改进建模技术或计算的方法来消除，在工程应用中，一般认为实验数据更为准确和可靠，因此需要依据实验数据利用模型修正技术对有限元模型进行修正，提高有限元模型的可靠性。
模型修正技术可以根据实验数据检验并矫正有限元模型，如改善建模简化部分、修正存在误差的参数等。
修正后模型可以更可靠地预测机构的动态特性。
随着工业的不断发展，工程应用对有限元模型可靠性的要求不断提高，利用实验数据修正有限元模型的模型修正技术日益受到重视。
有限元模型修正技术广泛应用在工程领域。
在航空航天工程领域中，为了了解航天器在极端载荷情况下的力学行为，通常采用足尺结构星实验的办法。
结构星实验方法用于结构的分析和力学行为预测，存在着耗资较大和周期较长的不足。
此外，在利用已有成熟的航天器平台进行新型航天器设计时，只需要对新型航天器做部分的结构实验，利用实验结果对有限元模型进行验证和修正，省掉整体的结构实验。
这种结构设计新方法可以有效地节约研制经费、缩短研制周期，具有明显的经济效益和工程应用背景。
1.2有限元模型修正技术的发展过程
从1958年为解决飞机地面共振实验中测量振型的正交化，提出依据实验数据修正飞机结构的柔度矩阵以来，有限元模型修正取得了飞速的发展。
按修正对象区分，有限元模型修正主要分为矩阵型修正法和参数型修正法两大类。
1.3有限元模型修正的基本思路
模型修正的目标是得到一个能够对机械结构的动态特性进行准确可靠预测的有限元模型。
模型修正的过程是从模型匹配这一步开始的。
一般，实验测点与有限元节点不能完全对应。
首先，某个测点未必与有限元模型的某一节点对应。
这个问题容易解决，只要有限元建模的时候合适地划分网格即可。
其次，但是更为普遍的，有限元模型包含的自由度通常比实验测量的自由度要多。
完成模型匹配后，需要进行相关性检查，一般是检查频率的相关性和模态的相关性。
如果相关性好，则有限元模型是可靠的无，需进行模型修正；如果相关性不好，则需要对有限元模型进行修正。
相关性不好时需要进行模型修正，首先要选择修正对象。
这里要判断哪些对象是需要修正的，哪些是准确的，不需要修正的。
选择修正对象的方法是模型修正领域的一个研究热点和难点，修正对象选取不同，修正的结果往往也不同。
模型修正的最后一步是利用实验数据对选定的修正对象进行修改。
一个良好的修正结果与实验数据有着良好的相关性及物理意义。
1.4有限元模型修正领域存在的问题
近四十年来，结构有限元模型修正得到了长足发展，结构有限元模型修正提出了很多方法，解决了不少理论与实际问题。
但迄今为止还没有一个公认用于工程实际的成熟的模型修正方法，结构有限元模型修正还有许多不足之处，主要原因是还有许多问题没有很好的解决，这些问题主要有：
测试振型不完整、实验模态不完备、如何对有限元模型的修正对象做选择、多误差给模型修正带来的困难、修正后的模型不唯一等问题。
而本次课设主要采用的是参数型修正法，目前参数型修正方法主要面临以下三方面的问题：
修正后的有限元模型高阶频率、模态与实验数据的相关性不一定得到改善、修正对参数做出的修改不一定符合物理实际情况、基于灵敏度分析的模型修正方法需要进行迭代运算，这就面临数值发散和收敛速度的问题。
对于大型工程问题，这一类方法修正计算将消耗大量计算时间这三个主要问题。
第二章几何模型建模
2.1创建几何模型
2.1.1创建点
点的坐标见表1
2.1.2创建曲线
如图1，图2所示创建曲线
图1.创建曲线指令
图2.创建曲线并划分单元
2.1.3创建模型
使用sweep指令创建模型
图3.卫星适配器模型
2.2设置边界条件
单击loads应用工具按钮，Action>Create,Object>Displacement,Type>Nodal。
在newsetname选项中输入disp，单击inputdata按钮，在translations和Rotation输入框中都设置为<000>,单击OK按钮；单击selectapplicationregion，在geometryfilter选项中选择geometry，单击选中结点（000）完成边界条件创建。
图4.设置边界条件
2.3定义材料属性
单击materials应用工具按钮，Action>Create,Object>Isotropic,Method>Mannual。
Input，materialname：
mat，单击打开inputproperties按钮对应的面板，constitutionmodel选择linearElastic，在Elasticmodulus中输入7e10，在poissonration中输入0.33，密度为2700，单击OK、apply按钮，完成材料的创建。
图5.材料属性
2.4定义单元属性
单击properties应用工具按钮，Action>Create,Object>2D,Method>2DSolid。
在propertysetname中输入plate，option选项选择planestrain，Standardformulation，打开inputproperties按钮对应的面板，在Matpropname中选择mat，单击OK按钮，在applicationregion选项框，选择视图中的曲面，点击add、apply按钮，完成定义单元属性。
第三章进行模态分析
3.1实验室试验设备
图6.试验设备
3.2试验数据
第一阶：
112.13；第二阶：
213.6；第三阶：
280.16；第四阶：
319.44；第五阶：
343.18；第六阶：
356.61；第七阶：
397.32；第八阶：
410.75；第九阶：
429.47
3.3模拟数据
按照第二章中的步骤创建的模型模拟出的数据如下：
图7.模拟数据
3.4试验目的
目的将试验第二阶以及第四—九阶的数据修正到试验数据，要求误差在±5%之内。
第四章采用参数型修正法进行修正
4.1修正第二阶
经过大量试验数据，最终确定第二阶修正参数为：
图8.第二阶修正参数
图9.第二阶修正数据
从图中可看到修正的第二阶频率为216.62，与实验数据误差为1.3%，故达到实验目的。
4.2第四—九阶修正
有过之前单阶频率的修正，总结经验之后将四至九阶一起修正，最终确定修正参数为：
图10.第四—九阶修正参数
图11.第四—九阶修正数据
从图中可看到修正各阶频率均与实验数据误差不超过±5%，故达到实验目的。
第五章实验总结
在查阅过大量论文之后，通过三周的时间在电脑前对于卫星适配器有限元模型的修正，我总结出一些对于修正有限元模型的几点技巧，记录下来对于以后的学习和工作都有很大的帮助，以下列出总结出的几点经验：
1.弹性模量的大小与频率的大小成正比。
2.密度的大小与弹性模量的大小成反比。
3.对不不同的材料，泊松比在不同的范围内影响频率的正反比不同，例如：
对于本次实验材料数据，在泊松比小与0.25时，泊松比的大小与频率成正比，大于0.25时成反比。
4.弹性模量与密度的大小对于1至9阶的频率影响较大，但又有不同。
弹性模量对于整体的频率都有影响，而密度对于4阶以后的频率影响较为明显。
5.泊松比的大小对第一、二阶频率的影响很小，对第5阶以后影响一般，可以进行后几阶频率的微调。
6.当修正的两阶频率之间有跨度时，例如同时修正第2阶与第5阶时，可以先调整弹性模量进行宏观调整，然后在调整泊松比与密度进行微调。
第四章心得
此次的专业综合实验课程设计，使我更深一步的了解到了数字化应用的优越性，有限元法在航天领域的应用的广泛性，这个课设也使我逐渐熟练掌握ＰＡＴＲＡＮ和ＮＡＳＴＲＡＮ软件的操作，应用以及其操作的思想，同过图书馆借的书学到很多知识，老师和同学的帮助也使我认识到很多的不足，但是同时又是获益匪浅。
在操作软件的同时，我也发现自己对软件的功能还有一大部分没了解，在思路设计上不够优化，熟练程度上不够，所有的这些不足为我提供了更加继续努力学习有限元法的决心，在以后的学习和生活中，要努力学习ＰＡＴＲＡＮ和ＮＡＳＴＲＡＮ软件的功能和设计思路，更熟练得去掌握它，熟练的进行有限元模型修正。
参考文献
［1］李邦国，路华鹏，胡仁喜.Patran2006与Nastran2007有限元分析实例指导教程.北京：
机械工业出版社.2008.1
致谢
最后，我要感谢老师对我的辛勤指导与帮助，在课设中学到越来越多的的知识与技能，激发了学习兴趣，在将来的学习生活和工作生活中都有很重要的意义。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅是我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与人处事的道路。
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