响应面有限元模型修正的实现与应用
万方数据
第2期费庆国,等:响应面有限元模型修正的实现与应用
2基于MATLAB与ANSYS修正方法的实现
2.1运行模式与功能函数设计
响应面模型修正工具箱采用的是对话框和“消息一响应”的运行模式。通过用户对对话框的输入和操作获得信息,并由功能函数对消息做出响应。
工具箱的功能函数分为2种,即主要功能函数和辅助函数。主要功能函数包括响应面设计与构造函数、参数修正函数和数据交换函数。其中,响应面设计与构造函数以MATLAB的统计工具箱为基础,可以根据用户输入生成试验方案,根据ANSYS分析结果拟合响应面模型;数据交换函数根据APDI。规则编写,主要用于MATI。AB与ANSYS之间的数据传递;参数修正函数主要依据用户输入完成修正计算。辅助函数主要包括数据的输入/输出、数据的列表显示和数据的图形显示。数据的输入/输出函数实现浏览功能;数据的列表函数用于数据的表格显示;数据的图形显示函数主要用于响应面模型的显示。
2.2用户界面及运行流程
用户界面见图2,依据上述响应面模型修正的主要环节,可将主界面划分为4个区域:
图2用户界面
(1)试验设计输入多项式阶次、估计样本数目(大于饱和设计样本数)、变量名、变量的上下限,输入后点“O.K.”由数据交换函数生成ANSYS格式样本点文件。默认试验设计方法为设计参数D最优;
(2)计算样本指定要计算的模态阶数以及ANSYS求解器所在的目录。在实施采样计算时,根据进度条判断计算是否完成,并生成结果文件;
(3)响应面拟合由数据交换函数读取数据,并根据试验设计环节输入的多项式阶次拟合响应面模型。为了直观地观察拟合的响应面模型,可指定模态频率阶次、变量序号等,以三维图形显示两者之间的函数曲面。曲面的光滑程度由“NumberofPoints”调节。此环节可输出拟合的响应面模型;
(4)参数修正计算载入初始有限元模型和测试数据,设定循环次数和所用测试模态频率的阶数,点“Updating”开始修正计算,可以列表显示结果或者输出模型修正后的数据。
3应用实例
3.1钢架及其有限元分析
以南汽NJ6550车架为钢架结构的原型由2根槽钢和4根矩形钢管组成。槽钢构成了结构的纵梁,矩形钢管构成其横梁。在矩形钢管的两头焊有正方形钢板,钢板的4角开孔,并通过螺栓与纵梁连接。结构总重约50kg。结构简图见图3。
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图3钢架结构简图(单位:mm)
利用ANSYS完成有限元分析。有限元模型含有100个梁单元(BEAMl88),接头采用弹簧单元模拟。由于车架的高阶振动对其动力特性影响较小,只考察200Hz以内的模态。有限元模型见图4。
图4钢架结构有限元模型
3.2试验模态分析
Z
模拟“自由一自由”状态,将钢架结构用橡皮绳悬挂于支架上,悬挂频率约为1
Hz,小于结构最低阶模万方数据
振动、测试与诊断第30卷
态频率的10%。采用多参考点锤击试验,布置3个传感器跑点激励两侧纵梁上各15个点。采用正交多项式方法[73在200Hz以内识别出12阶模态。钢架结构前4阶模态频率和振型见图5。分别是竖向一扭(20.78Hz)、面内对称一弯(38.81Hz)、竖向对称一弯(75.40Hz)和面内反对称一弯(89.61Hz)。
图5钢架结构前4阶模态频率和振型
3.3模型修正
按照本文第2.2节步骤(1)~步骤(3)计算样本数据,以模态频率为因变量,待修正设计参数为自变量,拟合三次多项式模型。图6是第1阶模态频率对设计参数的响应面,[一11]是设计参数的归一化取值空间,[2022.5]是第1阶模态频率的范围。从图6可见,在设计参数的取值范围内,钢架结构第1阶模态频率范围为20~22.5Hz,而该阶模态频率的测试值为20.78Hz,说明设计参数的取值范围合理。.
图6模态频率的响应面
将试验模态分析获得的前9阶模态频率作为目标值,以弹簧刚度和钢梁弹性模量为待修正参数,对钢架结构初始有限元模型进行修正。修正的结果见表1。修正后前9阶模态频率误差均方值由3.46%降至1.28%;最大值由6.37%降至2.49%,说明有限元模型的计算精度有明显改善。
表l前9阶模态频率修正结果
4结论
以钢架结构为例,基于响应面有限元模型修正方法并利用工具箱,以实测模态数据为依据,对该结构有限元模型进行修正。修正后前9阶模态频率误差均方值均得到明显改善。
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第一作者简介:费庆国男,1977年1
月生,副研究员。主要从事结构有限元
模型修正、结构动态测试与模态分析研
究。曾发表“基于主列筛选的动态测试
传感器配置方法研究”(《力学学报》
2008年第40卷第4期)等论文。
E—mail:qgfei@seu.edu.cn万方数据
响应面有限元模型修正的实现与应用
作者:费庆国, 韩晓林, 苏鹤玲, Fei Qingguo, Han Xiaolin, Su Heling
作者单位:费庆国,Fei Qingguo(东南大学工程力学系,南京,210096;东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京,210096), 韩晓林,Han Xiaolin(东南大学工程力学系,南京
,210096), 苏鹤玲,Su Heling(中国航天科工集团三院,北京,100074)
刊名:
振动、测试与诊断
英文刊名:JOURNAL OF VIBRATION MEASUREMENT & DIAGNOSIS
年,卷(期):2010,30(2)
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本文链接:https://www.360docs.net/doc/6417537108.html,/Periodical_zdcsyzd201002007.aspx