[发明专利]基于有限测点和全局模态的组合结构横向位移确定方法

说明书

基于有限测点和全局模态的组合结构横向位移确定方法，属于组合结构的横向振动位移确定方法领域。本发明解决了实验或实际工程中对组合结构横向位移、速度等物理场的有效测量与实验设备复杂，成本高，数据结果精度低等问题，在组合结构上合理布置传感器，测量并记录各测点的位移和速度，采用理论计算或有限元仿真获取组合结构的全局模态，获取可逆M方阵，计算解得组合结构中任意结构上任意点的位移和速度。本发明所使用的装置简单，成本低，计算效率高，相对精度高，通过有限个测点的横向位移数据和组合结构全局模态，便可实现组合结构全位移场的构建，有着丰富的应用前景和现实意义。

技术领域

本发明属于组合结构的横向振动位移确定方法领域，具体涉及一种基于有限测点和全局模态的组合结构横向位移确定方法。

背景技术

组合结构是由多个物体(包括柔体、刚体等)以某种方式相联接而构成的多体系统，被广泛应用在航空航天、机械、土木等工程领域中，如带太阳能帆板的空间组合体、空间柔性机械臂、带细长叶片的大型旋转机械等。在组合结构中，由于各部件之间的振动耦合效应，系统中单一柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的动力学行为与整体结构的动力学行为有很大差异。研究组合结构的振动特性对于满足工程愈加增长的结构需求和提升系统安全性有重大意义。

在组合结构的预研实验或实际工程健康监测中，组合结构振动的位移、速度等物理量是必要的数据。而对于一些特别的组合结构，受工作环境苛刻、载荷复杂等因素的影响，工件变形及振动具有时空不均匀性和强时变性，仅有单点或有限点测量信息不足以描述实际工况，更需要提供横向位移、速度等物理量的场信息。如在组合结构形式飞行器气动弹性分析地面实验中，结构各点所受到的气动力是对应结构各点的横向位移和速度的函数，故只有确定结构的横向位移场和速度场才能提供精确的气动力场。

当前确定结构横向位移场的方式有三种：一是先测量结构上部分点横向位移，再通过插值法确定整个结构的位移场。尽管该方法易操作，计算量不大，但是难以对误差进行估计，且插值效果依赖于采样点数量，即若想要得到精确的结果需要大量的采样点。此外，由于算法特征，不同的插值法存在其特有的缺陷，如基于曲率的位移插值方法(CBDI)在边点区域内位移值会有震荡效应而使得到的结果精度较差；二是利用激光测振仪实现对结构全覆盖的横向位移测量。激光测振具有精度高，响应快，动态范围大等优点。但该设备对使用环境条件极其苛刻，测量过程受其他杂散光影响较大，且设备复杂，造价高。此外，在结构振幅较大时，激光测振仪对结构边角处的测量会出现漏采、失真问题；三是基于有限测点和振动模态的板/梁结构横向位移确定方法，这是一种简单且精度效果好的测量板/梁结构位移、速度场的方法，但应用在组合结构上可能会出现严重的误差。在组合结构中，由于各部件之间的振动耦合效应，系统中单一柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与整体结构的模态有很大差异。故采用部件级模态可能会导致所得到位移场和速度场准确度下降。

综上所述，在组合结构横向振动实验或实际工程应用中，存在着对组合结构横向位移、速度等物理场的有效测量与实验设备复杂，成本高，数据结果精度低等问题。

发明内容

本发明解决了实验或实际工程中对组合结构横向位移、速度等物理场的有效测量与实验设备复杂，成本高，数据结果精度低等问题，提供一种基于有限测点和全局模态的组合结构横向位移确定方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

基于有限测点和全局模态的组合结构横向位移确定方法，所述方法具体过程为：

在组合结构振动实验中，针对组合结构横向位移w(x,y,t)的测量，在结构上表面或下表面布置m个传感器，其m个传感器铺设位置为s_n(x_n,y_n)，测量位移w_n和速度其中n＝1…m，x_n为传感器的横坐标，y_n为传感器的纵坐标；

对于确定的组合结构，第k个结构上任一点的横向位移可表示为