平板型復合材料格柵結構及其載荷反演技術研究.pdf

1、具有空間點陣的復合材料格柵結構（AGS）是一種新型高效的結構形式，相比傳統(tǒng)復合材料結構在輕質化、功能化方面具有多項潛在優(yōu)勢，在航空、航天工程中具有廣闊的應用前景。該結構形式自上個世紀90年代由斯坦福大學提出以來，美、俄等航天大國的科研單位對其進行了大量研究，取得了一系列研究成果，并在航空航天飛行器上成功應用。
　　飛行器結構在追求輕質化、功能化為目標的同時，還應具有高可靠性、低成本和短地面準備周期的特點，對結構技術和健康監(jiān)測技術都

2、提出了更高的要求。針對傳統(tǒng)檢測技術存在耗時長、成本高的缺點，斯坦福大學 Chang等人提出了面向結構健康的載荷反演的概念，該技術是要將載荷的反演和損傷的監(jiān)測集成化，在損傷監(jiān)測的同時對其載荷環(huán)境進行監(jiān)測，以此提高結構健康監(jiān)測的效率，縮短地面準備周期，降低維護成本。
　　基于以上兩點，本文在國防預研基金的支持下，對復合材料格柵結構及其面向結構健康監(jiān)測的載荷反演技術進行了研究，圍繞這一主線，開展以下幾個方面的工作：
　　1、深入研

3、究了復合材料格柵結構的制造工藝與設計方法，基于拉擠－互鎖格柵工藝，建立了一個復合材料格柵結構的制作演示，在對加帽增強格柵工藝進行研究的基礎上，提出了蒙皮增強和“T”型增強兩種工藝改進方法。借助有限元自動生成軟件 FEPG，編制了獨立運行的有限元程序，考慮結構的力學性能、工藝與成本等因素，確定了平板型復合材料格柵結構幾何參數(shù)的初步設計準則。
　　2、考慮AGS相對復雜的結構形式和面向結構健康監(jiān)測的載荷反演中載荷位置的未知性，本文將最

4、優(yōu)控制的思想應用到 AGS的載荷反演中，構造了一個最優(yōu)化模型和誤差性能指標 J表征正向模型響應與實際響應輸出的差，將問題的求解轉換成誤差性能指標極值條件的獲取，應用平滑算法和模態(tài)跟蹤算法實現(xiàn)了問題的求解，并通過算例研究了兩種算法作為反向求解器的優(yōu)劣。借助分布式響應的功率梯度云和誤差性能指標極值點的線性搜索，提出了一套由粗到精的載荷定位方法，實現(xiàn)了載荷位置和載荷時程的同時確定。文章還對反演過程中適定性問題進行了討論，并對誤差的性質和來源進

5、行了分析和討論。研究表明應用最優(yōu)化方法的載荷反演理論在確定復合材料格柵結構的外載時具有較高的精度，突出的優(yōu)勢是避免了傳統(tǒng)載荷反演技術中復雜的傳遞函數(shù)構造和卷積求解，實現(xiàn)了載荷位置和時程的同時確定，變換正向響應模型還可以將該方法應用于其他反問題的求解。
　　3、應用最優(yōu)化方法的載荷反演在實現(xiàn)過程中一個重要的核心技術是正向響應模型的構造，正向響應模型的好壞直接決定著計算的精度與計算的效率。本文基于均勻化理論和Smear方法，改進了復合

6、材料格柵板結構的等效剛度模型，應用非對稱 Whitey理論建立了橫向載荷作用下復合材料格柵結構的正向響應模型，給出了模型的狀態(tài)空間表達式，并對模型中截斷階數(shù)、時間步長等對計算精度的影響進行了研究。實驗和算例研究表明本文所建立的正向響應模型計算快捷，具有較高的精度，為載荷反演和動態(tài)優(yōu)化這類需要多重迭代計算的問題求解提供了新思路。
　　文章最后針對一個菱形格柵板結構和WIM的動態(tài)載荷時程反演和定位進行了實驗研究，對本文所提出的理論和方