熱結(jié)構(gòu)不確定性動(dòng)力學(xué)仿真及模型確認(rèn)方法研究.pdf

1、在科學(xué)研究中，計(jì)算仿真已經(jīng)成為繼理論分析和試驗(yàn)技術(shù)之后的第三支柱，雖然計(jì)算仿真已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，但是計(jì)算仿真的研究和應(yīng)用僅僅是一個(gè)開(kāi)始。隨著復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)仿真模型精度的要求不斷提高，就必須考慮實(shí)際存在的各種不確定性，這時(shí)仿真模型的真實(shí)精度和置信度評(píng)估就成為一項(xiàng)重要的研究課題。
　　模型確認(rèn)就是從模型用途角度確定一個(gè)模型在多大程度上能夠精確描述真實(shí)物理世界的過(guò)程，它不僅僅是一個(gè)評(píng)定仿真模型準(zhǔn)確度的過(guò)程，而且是一個(gè)通過(guò)確

2、認(rèn)結(jié)果提高預(yù)測(cè)精度的過(guò)程。本文以高超聲速飛行器典型熱結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算以及相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析為基本問(wèn)題，以模型確認(rèn)方法為主要研究?jī)?nèi)容，研究了以下幾個(gè)方面:
　　(1)將材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)表達(dá)為溫度的多項(xiàng)式函數(shù)，采用遺傳算法來(lái)識(shí)別多項(xiàng)式的系數(shù)，從而得到更精確的溫度分布，為熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。同時(shí)以美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的熱傳導(dǎo)模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問(wèn)題為研究對(duì)象，闡述了模型確認(rèn)的貝葉斯框架，介紹了貝葉斯及不確定性量化的基本理論，強(qiáng)調(diào)了模型修正在模型確

3、認(rèn)中的作用，比較了各種模型修正方法的優(yōu)缺點(diǎn)，將貝葉斯模型修正用于熱傳導(dǎo)問(wèn)題的模型確認(rèn)中，得到了比初始模型更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，研究表明貝葉斯模型修正方法用于模型確認(rèn)能顯著提高預(yù)測(cè)精度。
　　(2)針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的非對(duì)稱(chēng)阻尼結(jié)構(gòu)，分別采用基于靈敏度分析和遺傳算法的修正方法，同時(shí)對(duì)與剛度矩陣，阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣等相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。提出了使用有效模態(tài)質(zhì)量進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型修正的新方法。仿真算例比較了基于有效模態(tài)質(zhì)量靈敏度分

4、析和遺傳算法的修正結(jié)果，研究表明所提出的方法可以用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型修正中并能夠補(bǔ)充頻率信息不足的缺陷。
　　(3)針對(duì)小樣本模型確認(rèn)問(wèn)題，將核密度估計(jì)和核主元分析相結(jié)合，用于美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問(wèn)題的研究中;將置信水平理論和核密度估計(jì)相結(jié)合，提出了核密度估計(jì)中最佳樣本方差選擇的改進(jìn)方法，并應(yīng)用于美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)桁架模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問(wèn)題的研究。研究結(jié)果表明，將核主元分析、置信水平理等理論結(jié)

5、合核密度估計(jì)方法處理小樣本模型確認(rèn)問(wèn)題是非常有效的。
　　(4)針對(duì)熱彈耦合梁固有頻率的不確定性量化和傳遞問(wèn)題，基于歐拉梁的振動(dòng)方程和傅里葉熱傳導(dǎo)定律推導(dǎo)了梁的耦合振動(dòng)方程;采用概率邊界方法同時(shí)量化隨機(jī)和認(rèn)知混合不確定性，并采用雙層蒙特卡羅抽樣技術(shù)求解不確定性的傳遞;研究了材料參數(shù)不確定性對(duì)耦合固有頻率的影響，研究表明梁的耦合固有頻率均值和標(biāo)準(zhǔn)差都為區(qū)間參數(shù)，并且隨著輸入?yún)?shù)不確定性的增大而增大。
　　(5)針對(duì)模型形式不確

6、定性量化問(wèn)題，將最大熵方法用于確定調(diào)整參數(shù)方法中區(qū)間形式模型概率的最優(yōu)值;將調(diào)整參數(shù)處理為區(qū)間不確定性，提出了模型形式不確定性量化的區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)法。通過(guò)單自由度非線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng)的頻率預(yù)測(cè)以及二元機(jī)翼顫振臨界速度的預(yù)測(cè)實(shí)例對(duì)區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)法能夠處理模型形式不確定性以及參數(shù)的隨機(jī)和認(rèn)知不確定性共存時(shí)的預(yù)測(cè)問(wèn)題。
　　(6)針對(duì)C/C復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)，通過(guò)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析得到了各個(gè)時(shí)刻壁板