熱結構不確定性動力學仿真及模型確認方法研究.pdf

1、在科學研究中，計算仿真已經成為繼理論分析和試驗技術之后的第三支柱，雖然計算仿真已經廣泛應用于各個工程領域，但是計算仿真的研究和應用僅僅是一個開始。隨著復雜工程結構設計對仿真模型精度的要求不斷提高，就必須考慮實際存在的各種不確定性，這時仿真模型的真實精度和置信度評估就成為一項重要的研究課題。
　　模型確認就是從模型用途角度確定一個模型在多大程度上能夠精確描述真實物理世界的過程，它不僅僅是一個評定仿真模型準確度的過程，而且是一個通過確

2、認結果提高預測精度的過程。本文以高超聲速飛行器典型熱結構的仿真計算以及相關動力學分析為基本問題，以模型確認方法為主要研究內容，研究了以下幾個方面:
　　(1)將材料的熱傳導系數表達為溫度的多項式函數，采用遺傳算法來識別多項式的系數，從而得到更精確的溫度分布，為熱結構設計提供指導。同時以美國圣地亞國家實驗室提出的熱傳導模型確認挑戰(zhàn)問題為研究對象，闡述了模型確認的貝葉斯框架，介紹了貝葉斯及不確定性量化的基本理論，強調了模型修正在模型確

3、認中的作用，比較了各種模型修正方法的優(yōu)缺點，將貝葉斯模型修正用于熱傳導問題的模型確認中，得到了比初始模型更準確的預測結果，研究表明貝葉斯模型修正方法用于模型確認能顯著提高預測精度。
　　(2)針對結構動力學中的非對稱阻尼結構，分別采用基于靈敏度分析和遺傳算法的修正方法，同時對與剛度矩陣，阻尼矩陣和質量矩陣等相關的結構設計參數進行識別。提出了使用有效模態(tài)質量進行結構動力學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)質量靈敏度分

4、析和遺傳算法的修正結果，研究表明所提出的方法可以用于結構動力學模型修正中并能夠補充頻率信息不足的缺陷。
　　(3)針對小樣本模型確認問題，將核密度估計和核主元分析相結合，用于美國圣地亞國家實驗室提出的結構動力學模型確認挑戰(zhàn)問題的研究中;將置信水平理論和核密度估計相結合，提出了核密度估計中最佳樣本方差選擇的改進方法，并應用于美國圣地亞國家實驗室提出的結構靜力學桁架模型確認挑戰(zhàn)問題的研究。研究結果表明，將核主元分析、置信水平理等理論結

5、合核密度估計方法處理小樣本模型確認問題是非常有效的。
　　(4)針對熱彈耦合梁固有頻率的不確定性量化和傳遞問題，基于歐拉梁的振動方程和傅里葉熱傳導定律推導了梁的耦合振動方程;采用概率邊界方法同時量化隨機和認知混合不確定性，并采用雙層蒙特卡羅抽樣技術求解不確定性的傳遞;研究了材料參數不確定性對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準差都為區(qū)間參數，并且隨著輸入參數不確定性的增大而增大。
　　(5)針對模型形式不確

6、定性量化問題，將最大熵方法用于確定調整參數方法中區(qū)間形式模型概率的最優(yōu)值;將調整參數處理為區(qū)間不確定性，提出了模型形式不確定性量化的區(qū)間-混合調整參數法。通過單自由度非線性振動系統(tǒng)的頻率預測以及二元機翼顫振臨界速度的預測實例對區(qū)間-混合調整參數方法進行了驗證。研究表明區(qū)間-混合調整參數法能夠處理模型形式不確定性以及參數的隨機和認知不確定性共存時的預測問題。
　　(6)針對C/C復合材料壁板結構，通過瞬態(tài)熱傳導分析得到了各個時刻壁板