平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)及其載荷反演技術(shù)研究.pdf

1、具有空間點(diǎn)陣的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)（AGS）是一種新型高效的結(jié)構(gòu)形式，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在輕質(zhì)化、功能化方面具有多項(xiàng)潛在優(yōu)勢(shì)，在航空、航天工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。該結(jié)構(gòu)形式自上個(gè)世紀(jì)90年代由斯坦福大學(xué)提出以來(lái)，美、俄等航天大國(guó)的科研單位對(duì)其進(jìn)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(yīng)用。
　　飛行器結(jié)構(gòu)在追求輕質(zhì)化、功能化為目標(biāo)的同時(shí)，還應(yīng)具有高可靠性、低成本和短地面準(zhǔn)備周期的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)都

2、提出了更高的要求。針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)存在耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的缺點(diǎn)，斯坦福大學(xué) Chang等人提出了面向結(jié)構(gòu)健康的載荷反演的概念，該技術(shù)是要將載荷的反演和損傷的監(jiān)測(cè)集成化，在損傷監(jiān)測(cè)的同時(shí)對(duì)其載荷環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的效率，縮短地面準(zhǔn)備周期，降低維護(hù)成本。
　　基于以上兩點(diǎn)，本文在國(guó)防預(yù)研基金的支持下，對(duì)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)及其面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的載荷反演技術(shù)進(jìn)行了研究，圍繞這一主線，開展以下幾個(gè)方面的工作：
　　1、深入研

3、究了復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制造工藝與設(shè)計(jì)方法，基于拉擠－互鎖格柵工藝，建立了一個(gè)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制作演示，在對(duì)加帽增強(qiáng)格柵工藝進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了蒙皮增強(qiáng)和“T”型增強(qiáng)兩種工藝改進(jìn)方法。借助有限元自動(dòng)生成軟件 FEPG，編制了獨(dú)立運(yùn)行的有限元程序，考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、工藝與成本等因素，確定了平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的初步設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　2、考慮AGS相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(yīng)用到 AGS的載荷反演中，構(gòu)造了一個(gè)最優(yōu)化模型和誤差性能指標(biāo) J表征正向模型響應(yīng)與實(shí)際響應(yīng)輸出的差，將問(wèn)題的求解轉(zhuǎn)換成誤差性能指標(biāo)極值條件的獲取，應(yīng)用平滑算法和模態(tài)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題的求解，并通過(guò)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(yīng)的功率梯度云和誤差性能指標(biāo)極值點(diǎn)的線性搜索，提出了一套由粗到精的載荷定位方法，實(shí)現(xiàn)了載荷位置和載荷時(shí)程的同時(shí)確定。文章還對(duì)反演過(guò)程中適定性問(wèn)題進(jìn)行了討論，并對(duì)誤差的性質(zhì)和來(lái)源進(jìn)

5、行了分析和討論。研究表明應(yīng)用最優(yōu)化方法的載荷反演理論在確定復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的外載時(shí)具有較高的精度，突出的優(yōu)勢(shì)是避免了傳統(tǒng)載荷反演技術(shù)中復(fù)雜的傳遞函數(shù)構(gòu)造和卷積求解，實(shí)現(xiàn)了載荷位置和時(shí)程的同時(shí)確定，變換正向響應(yīng)模型還可以將該方法應(yīng)用于其他反問(wèn)題的求解。
　　3、應(yīng)用最優(yōu)化方法的載荷反演在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中一個(gè)重要的核心技術(shù)是正向響應(yīng)模型的構(gòu)造，正向響應(yīng)模型的好壞直接決定著計(jì)算的精度與計(jì)算的效率。本文基于均勻化理論和Smear方法，改進(jìn)了復(fù)合

6、材料格柵板結(jié)構(gòu)的等效剛度模型，應(yīng)用非對(duì)稱 Whitey理論建立了橫向載荷作用下復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的正向響應(yīng)模型，給出了模型的狀態(tài)空間表達(dá)式，并對(duì)模型中截?cái)嚯A數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)等對(duì)計(jì)算精度的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)和算例研究表明本文所建立的正向響應(yīng)模型計(jì)算快捷，具有較高的精度，為載荷反演和動(dòng)態(tài)優(yōu)化這類需要多重迭代計(jì)算的問(wèn)題求解提供了新思路。
　　文章最后針對(duì)一個(gè)菱形格柵板結(jié)構(gòu)和WIM的動(dòng)態(tài)載荷時(shí)程反演和定位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)本文所提出的理論和方