CN101794338A - 基于结构模态试验的矩阵型动力学模型修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于结构模态试验的矩阵型动力学模型修正方法。它是利用多次同时改变结构质量分布和刚度后产生的新结构的模态实验结果,运用矩阵计算和代数方程求解,计算出有限元模型的质量阵和刚度阵的修正量。本发明提高了有限元模型的修正精度,简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模态试验的矩阵型动力学模型修正方法,尤其是对结构误差位置或单元确定的动力学模型修正。
背景技术
目前,利用结构动力学模态试验结果进行有限元模型修正有两大类方法。一类是参数型修正法,即通过求解灵敏度来修正结构模型的物理参数。另一类是由Berman,J.C.Chen,Friswell等学者提出的对模型的整个质量阵和刚度阵进行修正的矩阵型修正法。而对一个结构系统进行模态试验所得到的试验数据是有限的,往往不足以很好地识别动力学模型。近年来,CHA等人曾提出通过测量原结构动力学系统模态和添加质量后的结构动力学系统模态来修正模型。但附加质量在实际中往往比较困难,因为质量往往是具有一定体积和惯量的,而在模型修正中却忽略了它们;而且附加质量与结构的连接又不可避免引入的刚度,这些都影响了修正精度。另外当测试模态数目较少时,由于识别方程中未知数数目大于方程数,解方程得到的修正量精度也会很差。
发明内容
本发明目的为了克服附加质量的困难、刚度引入以及参数识别方程的有限性对修正精度的影响,提供一种基于模态试验的矩阵型动力学模型修正方法,该修正方法不仅容易改变结构的质量和刚度,消除引入刚度,而且还能有效增加参数识别方程的个数,提高刚度阵和质量阵的修正精度。
本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
本发明基于结构模态试验的矩阵型动力学模型修正方法:
首先对原结构进行模态测试,得到原结构的振型Φ和频率Λ;然后分多次同时改变结构的质量分布和结构刚度,并对产生的新结构进行模态测试,得到第i次改变结构后新结构的振型Φa i和频率Λa i,其中i为大于等于1的自然数;
测试模态数为Ne,有限元模型自由度与模态测试自由度均为N,则测试得到的原结构的频率Λ和新结构的频率Λa i规模均为Ne×Ne,原结构的振型Φ和新结构的振型Φa i规模均为N×Ne;原结构有限元模型修正后的质量矩阵M和刚度矩阵K均为未知量,规模为N×N;第i次结构质量矩阵的改变量Ma i和刚度矩阵的改变量Ka i均为已知量,规模为N×N,其中N为大于1的自然数;
此时原结构模态满足,
MΦΛ=KΦ (1)
第i次改变结构质量和刚度后,新结构模态满足,
将式(1)转置再后乘Φa i,得到,
用ΦT前乘式(2)得,
式(3)、式(4)两式相减得,
由于M为原结构质量阵,未知,令:
其中矩阵Pi、Qi的维数均为Ne×Ne;
式(5)化为,
由于Λ和Aa i都是对角阵,式(7)可展开为Ne×Ne个代数方程,
j、k为Pi、Qi矩阵中元素的下标,λj为原结构的第j个测试特征值,λak i为第i次结构质量和刚度改变后新结构的第k个测量特征值;
原结构有限元模型修正前的质量矩阵和刚度矩阵分别为M0和K0,为已知量,规模为N×N,原结构有限元模型质量矩阵和刚度矩阵的修正量分别为ΔM和ΔK,为未知量,规模为N×N;则有,
M=M0+ΔM (9a)
K=K0+ΔK (9b)
原结构有限元模型质量矩阵的修正如下:
将式(9a)代入式(6a)后得到,
设
将式(10a)行拉直后再转置得到Aiδm=ri (11a)
其中
δm=[ΔM11…ΔM1N|ΔM21…ΔM2N|……|ΔMN1…ΔMNN]T (11c)
其中Ai矩阵维数为Ne 2×N2;
分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(11a)联立求解得:
ΔM=[unvecN×N(δm)]T (12b)
即
原结构有限元模型刚度矩阵的修正包括如下两种方法:
(1)ΔK=(M0+ΔM)ΦΛΦT(ΦΦT)-1-K0
(2)用Λ-1前乘式(3)可得,
将式(14)、式(15)两式相减得,
设
Λ-1、(Λa i)-1为对角矩阵,将式(17a)和式(17b)代入式(16)并展开后,可得
令
等式(19a)右边已知,将式(19a)行拉直后再转置得到
Aiδk=ti (20a)
其中
δk=[ΔK11…ΔK1N |ΔK21…ΔK2N|……|ΔKN1…ΔKNN]T (20c)
将分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(20a)联立求解得
其中i=1、2、3……G;
ΔK=[unvecN×N(δk)]T (21b)
即
将修正矩阵ΔM和ΔK代入式(9a)、(9b)即可得原结构有限元模型修正后的质量矩阵M和刚度矩阵K。
本发明同时改变结构的质量和刚度实施起来简单易行,并且运用多次模态试验结果可以有效增加参数识别方程个数,提高有限元模型的修正精度;此外本发明用矩阵计算直接修正有限元模型的质量阵和刚度阵,对使用者工作要求较低,修改过程程序化较强。
附图说明
图1:本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
实际工程中所建立的有限元模型自由度数远大于模态试验测试自由度数,但可以采用Kammer与Serep提出的模态缩聚方法使有限元模型自由度与模态试验测试自由度一致。故本发明假设有限元模型自由度与模态测试自由度位置、数量一致。
首先对原结构进行模态测试,得到原结构的振型Φ和频率Λ;然后分若干次同时改变结构的质量分布(如在不同位置固定安装已知轻重的质量块)和结构刚度(如增加固定约束等),并对产生的新结构进行模态测试,得到第i次改变结构后新结构的振型Φa i和频率Λa i。
假设测试模态数为Ne,有限元模型自由度与模态测试自由度均为N,则测试得到的原结构的频率Λ和新结构的频率Λa i规模均为Ne×Ne,原结构的振型Φ和新结构的振型Φa i规模均为N×Ne。原结构的质量阵M和刚度阵K均为未知量,规模为N×N。第i次结构质量阵的改变量Ma i和刚度阵的改变量Ka i均为已知量,规模为N×N。
此时原结构模态满足,
MΦΛ=KΦ (1)
第i次改变结构质量和刚度后,新结构模态满足,
将式(1)转置再后乘Φa i,得到,
用ΦT前乘式(2)得,
式(3)、式(4)两式相减得,
由于M为原结构质量阵,未知,设:
其中矩阵Pi、Qi的维数均为Ne×Ne;
式(5)化为,
由于Λ和Λa i都是对角阵,式(7)可展开为Ne×Ne个代数方程,
j、k为Pi、Qi矩阵中元素的下标,λj为原结构的第j个测试特征值,λak i为第i次结构质量和刚度改变后新结构的第k个测量特征值。由于总能通过调整结构的附加质量或刚度实现λj不等于λak i,因此由式(6b)、式(8)可以求出Pi中的元素Pjk i;
原结构有限元模型的质量矩阵和刚度矩阵分别为M0和K0,为已知量,规模为N×N。由于建模时对实际结构的简化和建模人员技术水平的限制,有限元模型的质量阵和刚度阵都存在误差。与实际结构的质量阵和刚度阵相比,原结构有限元模型质量阵和刚度阵的修正量分别为ΔM和ΔK,为未知量,规模为N×N。则有,
M=M0+ΔM (9a)
K=K0+ΔK (9b)
将式(9a)代入式(6a)后整理得,
设
由于ΦT和Φa i都是矩形矩阵,不能从式(10a)中直接求解ΔM,故将式(10a)行拉直后再转置得到Aiδm=ri (11a)
其中
δm=[ΔM11…ΔM1N|ΔM21…ΔM2N|……|ΔMN1…ΔMNN]T (11c)
其中Ai矩阵维数为Ne 2×N2。
将分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(11a)联立求解得
ΔM=[unvecN×N(δm)]T (12b)
即
这样测试模态总数远大于测试模态自由度数时,从式(12b)中解出的有限元质量阵的修正矩阵ΔM使修正后的质量阵M能较好地逼近真实值。
一旦修正后的质量阵M由式(9a)得到后,有限元刚度阵的修正矩阵ΔK亦可以由式(1)和(9b)推导得到ΔK=(M0+ΔM)ΦΛΦT(ΦΦT)-1-K0 (13)
有限元刚度阵的修正矩阵ΔK也可以用与质量阵修正方法相近似的方法进行直接修正计算。
用Λ-1前乘式(3)可得,
将式(14)、式(15)两式相减得,
设
由于Λ-1、(Λa i)-1为对角矩阵,将式(17a)和式(17b)代入式(16)并展开后,可得
当λj不等于λak i,未知数Ui中的未知数Ujk i可以被解出。
将式(9b)代入式(17b),可以得到
设
等式(19a)右边已知。将式(19a)行拉直后再转置得到
Aiδk=ti (20a)
其中
δk=[ΔK11…ΔK1N|ΔK21…ΔK2N|……|ΔKN1…ΔKNN]T (20c)
将分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(20a)联立求解得
ΔK=[unvecN×N(δk)]T (21b)
即
这样当测试模态总数远大于测试模态自由度数时,从式(21b)中解出的有限元刚度阵的修正矩阵ΔK使修正后的刚度阵K能较好地逼近真实值。
在实际工程中,修正前的有限元模型能够在一定程度上反映结构的真实情况。借助于工程经验,或者根据试验与仿真计算的结果对比,对大多数有限元模型的误差部位或误差元素的位置可以做出初步判断,所以并不需要对有限元模型的质量阵和刚度阵中所有元素进行修正。因此可以分别将式(11a)和式(20a)等式两边做相同初等变换,将需要修正的元素移至方程上部,再通过分块计算可以得到新方程(22)和(23)。
其中向量δM为向量δm中需要修正的元素组成的向量,矩阵A1 i为矩阵Ai中与向量v中各元素对应的部分组成的矩阵,矩阵A2 i为矩阵Ai中与零向量中各元素对应的部分组成的矩阵。
其中向量δK为向量δk中需要修正的元素组成的向量,矩阵B1 i为矩阵Bi中与向量δK中各元素对应的部分组成的矩阵,矩阵B2 i为矩阵Bi中与零向量中各元素对应的部分组成的矩阵。
推出
将分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(24)、方程(25)分别联立求解,即可以得到更精确的有限元模型质量阵和刚度阵中需要修正元素的修正量δM和δK。
Claims (1)
1.一种基于结构模态试验的矩阵型动力学模型修正方法,其特征是:
首先对原结构进行模态测试,得到原结构的振型Φ和频率Λ;然后分多次同时改变结构的质量分布和结构刚度,并对产生的新结构进行模态测试,得到第i次改变结构后新结构的振型Φa i和频率Λa i,其中i为大于等于1的自然数;
测试模态数为Ne,有限元模型自由度与模态测试自由度均为N,则测试得到的原结构的频率Λ和新结构的频率Λi a规模均为Ne×Ne,原结构的振型Φ和新结构的振型Φi a规模均为N×Ne;原结构有限元模型修正后的质量矩阵M和刚度矩阵K均为未知量,规模为N×N;第i次结构质量矩阵的改变量Mi a和刚度矩阵的改变量Ka i均为已知量,规模为N×N,其中N为大于1的自然数;
此时原结构模态满足,
MΦΛ=KΦ (1)
第i次改变结构质量和刚度后,新结构模态满足,
将式(1)转置再后乘Φi a,得到,
用ΦT前乘式(2)得,
式(3)、式(4)两式相减得,
由于M为原结构质量阵,未知,令:
其中矩阵Pi、Qi的维数均为Ne×Ne;
式(5)化为,
由于Λ和Λa i都是对角阵,式(7)可展开为Ne×Ne个代数方程,
j、k为Pi、Qi矩阵中元素的下标,λj为原结构的第j个测试特征值,λak i为第i次结构质量和刚度改变后新结构的第k个测试特征值;
原结构有限元模型修正前的质量矩阵和刚度矩阵分别为M0和K0,为已知量,规模为N×N,原结构有限元模型质量矩阵和刚度矩阵的修正量分别为ΔM和ΔK,为未知量,规模为N×N;则有,
M=M0+ΔM (9a)
K=K0+ΔK (9b)
原结构有限元模型质量矩阵的修正如下:
将式(9a)代入式(6a)后得到,
设
将式(10a)行拉直后再转置,即
由矩阵论知识知,等式(11a)左边为
将等式(11c)记为Aiδm=ri (11d)
其中
δm=[ΔM11…ΔM1N|ΔM21…ΔM2N|……|ΔMN1…ΔMNN]T (11f)
其中Ai矩阵维数为Ne 2×N2;
分G次改变原结构的质量和刚度,并对所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(11d)联立求解得:
将求得的列向量δm矩阵化为N×N的矩阵ΔM
ΔM=[unvecN×N(δm)]T (12b)
即
原结构有限元模型刚度矩阵的修正包括如下两种方法:
(1)ΔK=(M0+ΔM)ΦΛΦT(ΦΦT)-1-K0;
(2)用Λ-1前乘式(3)可得,
用(Λi a)-1后乘式(4)可得,
将式(14)、式(15)两式相减得,
设
Λ-1、(Λi a)-1为对角矩阵,将式(17a)和式(17b)代入式(16)并展开后,可得
令
由矩阵论知识知,等式(20a)左边为
则等式(20a)即为
将等式(20c)记为Aiδk=ti (20d)
其中
δk=[ΔK11…ΔK1N|ΔK21…ΔK2N|……|ΔKN1…ΔKNN]T (20f)
将分G次改变原结构的质量和刚度所产生的新结构进行模态测试,然后将得到的G个方程(20d)联立求解得
其中i=1、2、3.....G;
将求得的列向量δk矩阵化为N×N的矩阵ΔK
ΔK=[unvecN×N(δk)]T (21b)
即
将修正矩阵ΔM和ΔK代入式(9a)、(9b)即得原系统有限元模型修正后的质量矩阵M和刚度矩阵K。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20120111 Termination date: 20130322 |