一种三明治复合材料结构的参数识别方法技术

本发明专利技术公开了一种三明治复合材料结构的参数识别方法，包括：建立三明治复合材料结构的有限元模型，等效为壳‑实体‑壳形式的正交各向异性均质材料有限元模型；对三明治复合材料结构进行模态实验，得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型；利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对待修正参数进行相对灵敏度分析并进行参数分组，得到灵敏参数组；利用多步分组优化方法，采用三明治复合材料结构的模态频率，对灵敏参数组进行优化，最终得到识别后的三明治复合材料结构的参数。本发明专利技术采用有限元分析与动力学试验相结合的形式，建立了有限元初始分析模型，同时通过构造动态特性目标优化函数，识别了三明治复合材料结构的力学参数。

【技术实现步骤摘要】
一种三明治复合材料结构的参数识别方法
本专利技术涉及一种多步分组优化识别方法，尤其涉及一种三明治复合材料结构的参数识别方法。
技术介绍
三明治复合材料板为层合板结构，上面板与下面板均采用复合材料，利用复合材料的抗屈曲、高强度和刚度特性，可使该结构具有良好的承载性能。同时夹芯层中填充隔热材料，又可以使上面板与底板的热导率低，热容高，进而使整个方案具有良好的隔热性能，被广泛应用于机械工程等领域。复合材料组分复杂，使得材料在宏观力学性能上表现出各向异性。通过静力实验测试，存在难以获取各个方向的弹性参数的问题，导致三明治复合材料板的材料参数难以准确获取。因此，亟待解决上述问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种可有效精准识别具有层合板特效的三明治复合材料结构的参数识别方法。技术方案：为实现以上目的，本专利技术公开了一种三明治复合材料结构的参数识别方法，包括如下步骤：步骤1，所述三明治复合材料结构包括上、下面板和位于中间的芯层，建立三明治复合材料结构的有限元模型，将三明治复合材料结构等效为壳-实体-壳形式的正交各向异性均质材料有限元模型；步骤2，对三明治复合材料结构进行模态实验，得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型；步骤3，利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对三明治复合材料结构的待修正参数进行相对灵敏度分析并进行参数分组，得到灵敏参数组；步骤4，利用多步分组优化方法，采用三明治复合材料结构的模态频率，对灵敏参数组进行优化，最终得到识别后的三明治复合材料结构的参数。其中，所述步骤2的模态实验中采用的试验系统包括脉冲力锤、加速度传感器、数据采集仪、信号分析仪和计算机，所述脉冲力锤和加速度传感器接入数据采集仪的对应接口，该数据采集仪依次与信号分析仪和计算机相连接；所述模态实验的具体步骤如下：2.1)利用锤击法，对三明治复合材料结构进行自由状态下的动态特性试验，首先对三明治复合材料结构进行锤击点布置，并在结构远离模态驻点处定义一个拾振点；2.2)悬挂三明治复合材料结构使其成为自由边界结构，将加速度传感器固定在拾振点处；2.3)通过信号分析仪设置模态分析参数；2.4)用脉冲力锤在结构上对每个锤击点沿垂直于面内方向施加脉冲力，采集每一锤击点在受到脉冲激励时的输入信号与输出信号；2.5)用信号分析仪对输入信号与输出信号进行模态参数识别，得到试验系统的频响函数，然后通过曲线拟合得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型。优选的，所述步骤3中所述相对灵敏度分析的具体步骤如下：3.1)根据待修正参数的初步物理特性分析，得到初始待修正参数；3.2)利用相对灵敏度计算公式，对初始待修正参数进行灵敏度分析，得到相对灵敏度矩阵Sr；将具有相同量级相对灵敏度的参数分在同一组，根据相对灵敏度量级从高到低的顺序进行顺次修正得到灵敏参数组，其中相对灵敏度计算公式为：式中f是模态频率向量，p为待修正参数向量。进一步，所述待修正参数包括上、下面板的面内弹性模量E1、E2、G12和芯层材料常数C11、C22、C44、C55、C66。再者，所述步骤4中所述多步分组优化方法，具体包括如下步骤：4.1)根据步骤3得到待修正参数进行分组，即待修正参数向量p分为n个子集：p1，p2，…，pn；4.2)确定目标优化函数：根据步骤2所得到的模态频率试验值，针对各阶试验模态频率，确定如下的目标优化函数：其中fe为试验模态频率向量，fa为分析模态频率向量，该目标优化函数的物理含义是：在参数的变化范围[pl，pu]内，寻找最优化参数使得试验模态频率和分析模态频率向量差的二范数最小，pl和pu分别为修正过程中根据模型设置的参数下界和上界；4.3)确定优化参数范围：根据试验规律和力学基本关系式，采用摄动法得到待优化参数的变化范围[pl，pu]；a、令i＝1，j＝1，k＝1，选择一组参数Pij作为待修正参数，根据灵敏度分析匹配试验和有限元的模态阵型，使用优化迭代算法进行识别，若满足收敛要求，得到收敛的参数并更新至p中，选择下一组参数pi+1作为待修正参数，按照步骤a进行识别；直到i＝n；不满足则令k＝k+1，更新的参数继续识别；b、目标函数残差检验，是否满足精度要求，若满足，结束识别过程，若不满足则令j＝j+1，返回步骤a重新计算。进一步，所述步骤4.3中pl＝0.1～0.01p，pu＝5～100p。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：本专利技术提供了一种基于多步分组优化的三明治复合材料结构的参数识别方法，采用有限元分析与动力学试验相结合的形式，建立了三明治复合材料结构的有限元初始分析模型，同时通过构造动态特性目标优化函数，识别了三明治复合材料结构的力学参数，具有十分重要的工程意义。附图说明图1为本专利技术中三明治复合材料结构的示意图；图2为本专利技术中自由模态实验示意图；图3为本专利技术中多步分组优化方法流程图；图4是本专利技术的p1组参数第一次迭代收敛曲线图；图5是本专利技术的p2组参数第一次迭代收敛曲线图；图6是本专利技术的p1组参数第二次迭代收敛曲线图；图7是本专利技术的p2组参数第二次迭代收敛曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。如图1所示，本专利技术的三明治复合材料结构包括上面板1、位于中间的芯层2和下面板3。如图2所示，本专利技术模态实验中采用的试验系统包括脉冲力锤4、加速度传感器5、数据采集仪6、信号分析仪7和计算机8，其中脉冲力锤4和加速度传感器5接入数据采集仪6的对应接口，该数据采集仪6依次与信号分析仪7和计算机8相连接。本专利技术提及一种三明治复合材料结构的参数识别方法，包括如下步骤：步骤1，建立三明治复合材料结构的有限元模型，将上述三明治复合材料结构等效为壳-实体-壳形式的正交各向异性均质材料有限元模型；步骤2，对三明治复合材料结构进行模态实验，所述模态实验的具体步骤如下：2.1)利用锤击法，对三明治复合材料结构进行自由状态下的动态特性试验，首先对三明治复合材料结构进行锤击点布置，并在结构远离模态驻点处定义一个拾振点；2.2)采用橡胶绳9悬挂三明治复合材料结构使其成为自由边界结构，将加速度传感器5固定在拾振点处；2.3)通过信号分析仪7设置模态分析参数；2.4)用脉冲力锤4在结构上对每个锤击点沿垂直于面内方向施加脉冲力，数据采集仪6采集每一锤击点在受到脉冲激励时的输入信号与输出信号，其中输入信号为力信号，输出信号为加速度信号；2.5)用信号分析仪7对输入信号与输出信号进行模态参数识别，得到试验系统的频响函数，然后通过曲线拟合得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型，传输至计算机8。步骤3，利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对三明治复合材料结构的待修正参数进行相对灵敏度分析并进行参数分组，得到灵敏参数组；所述相对灵敏度分析的具体步骤如下：3.1)根据待修正参数的初步物理特性分析，得到初始待修正参数；作为结构主要的承载构件，上、下面板的弹性参数应该被关注；另外面内建模时一些细节的忽略也会导致面内弹性参数出现不准确情况；考虑上下面板采用壳单元建模，芯层的剪切模量也应值得关注；基于上述初步物理特性分析，选取以下8个参数作为主要待修正参数：上、下面板的面内弹性模量E1、E2、G12和芯层材料常数C11、C22、C44、C55、C66。3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三明治复合材料结构的参数识别方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，所述三明治复合材料结构包括上、下面板和位于中间的芯层，建立三明治复合材料结构的有限元模型，将三明治复合材料结构等效为壳‑实体‑壳形式的正交各向异性均质材料有限元模型；步骤2，对三明治复合材料结构进行模态实验，得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型；步骤3，利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对三明治复合材料结构的待修正参数进行相对灵敏度分析并进行参数分组，得到灵敏参数组；步骤4，利用多步分组优化方法，采用三明治复合材料结构的模态频率，对灵敏参数组进行优化，最终得到识别后的三明治复合材料结构的参数。

【技术特征摘要】
1.一种三明治复合材料结构的参数识别方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，所述三明治复合材料结构包括上、下面板和位于中间的芯层，建立三明治复合材料结构的有限元模型，将三明治复合材料结构等效为壳-实体-壳形式的正交各向异性均质材料有限元模型；步骤2，对三明治复合材料结构进行模态实验，得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型；步骤3，利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对三明治复合材料结构的待修正参数进行相对灵敏度分析并进行参数分组，得到灵敏参数组；步骤4，利用多步分组优化方法，采用三明治复合材料结构的模态频率，对灵敏参数组进行优化，最终得到识别后的三明治复合材料结构的参数。2.根据权利要求1所述的三明治复合材料结构的参数识别方法，其特征在于：所述步骤2的模态实验中采用的试验系统包括脉冲力锤、加速度传感器、数据采集仪、信号分析仪和计算机，所述脉冲力锤和加速度传感器接入数据采集仪的对应接口，该数据采集仪依次与信号分析仪和计算机相连接；所述模态实验的具体步骤如下：2.1)利用锤击法，对三明治复合材料结构进行自由状态下的动态特性试验，首先对三明治复合材料结构进行锤击点布置，并在结构远离模态驻点处定义一个拾振点；2.2)悬挂三明治复合材料结构使其成为自由边界结构，将加速度传感器固定在拾振点处；2.3)通过信号分析仪设置模态分析参数；2.4)用脉冲力锤在结构上对每个锤击点沿垂直于面内方向施加脉冲力，采集每一锤击点在受到脉冲激励时的输入信号与输出信号；2.5)用信号分析仪对输入信号与输出信号进行模态参数识别，得到试验系统的频响函数，然后通过曲线拟合得到三明治复合材料结构的模态频率和模态振型。3.根据权利要求1所述的三明治复合材料结构的参数识别方法，其特征在于：所述步骤3中所述相对灵敏度分析的具体步骤如下：3.1)根据待修正参数的初步物理特性分析，得到初始待修正参数；3.2)利用相对灵敏度计算公式，对初始待修正参数进行灵敏度分析，得到相对灵敏度矩阵Sr；将具有相同量级相对灵敏度的参数分在同一组，根据相对灵敏度量级从高到低的...

【专利技术属性】
技术研发人员：费庆国，曹芝腑，姜东，刘璟泽，范芷若，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32