基于流形分析的不确定性结构动态载荷识别方法研究

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在现代工程实际问题中,动态载荷往往作为结构设计与优化的前提,在汽车领域、航空航天及船舶行业等方面得到广泛应用,因此,动态载荷识别方法研究对于工程问题具有重要价值。另外,由于制造工艺的缺陷以及材料本身离散性的存在,使得结构特性存在着不可避免的随机误差,如何在不确定性系统下实现载荷反求对于现代工程更具实际意义和挑战。目前,不确定性结构动态载荷识别方法已取得一定研究成果,但是多适用于结构参数不确定性水平较低的情况,或是计算效率较低。当结构不确定性参量的变异程度较大时,运用此类方法识别的动态载荷将不可避免地存在偏差。此外,对于带有混合不确定性参量的结构,其动态载荷识别方法的研究较为欠缺。因此如何实现高不确定性水平及混合不确定性度量下的动态载荷识别,并发展一种快速高效的动态载荷识别技术,是不确定性结构动态载荷识别的一个重要发展方向。针对这一方向,本文结合流形分析以及正则化方法对不确定性结构进行动态载荷识别技术研究,实现了高不确定性水平下不确定性结构动态载荷的有效反求。具体而言,本文研究的主要内容如下:(1)在概率度量下提出了基于流形分析的不确定性结构动态载荷识别方法。通过均匀抽样得到不确定性结构材料参数样本,并采用正则化方法获取各参数样本下的结构动态载荷。利用流形分析方法将动态载荷所有特征映射到低维形状空间中,以该形状空间中的特征对动态载荷进行重新构建,实现高维载荷数据的降维。基于此,以不确定参量与低维形状空间中的载荷特征构建流形关系,此后无需再通过数值模型进行反问题求解,可直接通过不确定参量进行动态载荷识别,避免了矩阵病态问题的出现,提高了数据处理效率。通过桁架及汽车引擎盖的算例,实现了在概率度量下基于流形分析方法的动态载荷反求,并将动态载荷概率密度函数作为评价指标。(2)研究了基于椭球模型的结构动态载荷与结构参数复合反求方法。在结构不确定参数样本信息较少,即在仅获取不确定参量边界与相关性的情况下,采用椭球模型进行描述。考虑结构存在局部损伤的情况,进行结构动态载荷与结构参数复合反求。将由结构损伤引起的结构内力进行移项,并按照移项后的运动学方程建立动态载荷反问题求解模型。在求解得到结构动态载荷与由结构缺陷引起的结构内力基础上,即可根据运动学方程实现结构参数的反求,从而实现动态载荷与结构参数的复合反演。通过将载荷特征映射到低维流形空间中,建立椭球域内的不确定性参量与载荷特征的关系,实现了动态载荷与损伤内力的有效反演。该方法不受参量样本信息量的限制,能够有效实现动态载荷与结构参数的复合反求。(3)发展了基于多维概率-椭球混合不确定参数的结构动态载荷识别方法。采用了降维双层抽样方法,通过将概率与椭球参量分为内、外两层,从而将多维不确定参数下的载荷识别问题转化为两类低维不确定问题,即在内层概率不确定参数下的动态载荷反演以及外层椭球不确定参量与动态载荷累积分布流形关系的建立问题。前者将多维混合不确定问题转化为单一概率分布下的低维不确定问题进行求解,并获取各概率参量下的动态载荷累积分布曲线。在此基础上,后者则建立椭球参量与各动态载荷累积分布曲线的流形关系,从而间接建立了动态载荷与所有不确定参数的关系。该方法避免了多维不确定反演过程需要大量样本的问题,实现了多维概率-椭球混合不确定参数下结构动态载荷的有效识别。
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