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本文工作主要面向工程实际问题,基于海洋平台结构健康诊断项目需求,在复杂结构动力模型简化方法分析、动力模型修正、模型试验和实际海洋平台结构应用几个方面展开详细的研究。以克服由于工程结构的复杂性,对结构分析精度要求的提高,利用传统有限元离散模型求解结构动力问题时,特别是结构动力学反问题,在计算量、解的稳定性、解的适定性、主要参数选取等方面存在许多困难。本文的研究目的是在保持所需精度要求的情况下,实现对复杂结构模型的简化处理,得到更利于后续分析的简单的模型。简化过程同时考虑结构的数学模型和物理模型。在此基础上,结合海洋平台结构实现动力模型试验、响应信号分析、模态参数识别几个方面的试验建模研究,将数值模型和试验模型相结合,进一步得到和实际结构动力特征相吻合的简化模型。根据以上研究内容,本文获得的有创新价值和工程应用价值的研究成果如下:
⑴提出一种基于结构运动特征实现对复杂模型进行简化的方案,扩展了传统的重点考虑结构特征的模型简化思路。通过给定结构运动同步性特征判断方法,拓宽了基于局部刚体化模型简化的应用范围。
⑵提出了基于柔度修正的局部刚体化模型简化方法,得到一套高精度的动力模型简化算法。此方法在实现对复杂工程结构模型的大规模降阶处理的同时,保留了原数值模型中结构参数的连接属性。同时尝试了基于参数修正的模型简化方法,实现对于简化模型的修正,同时对两种修正方法进行比较。
⑶利用基于柔度修正的局部刚体化模型简化方法,给出了一种新的超单元构造方法,得到一种新的动态超单元法。用该方法建立起来的动力降阶模型不仅在规模上远小于未降阶的有限元模型方法,而且在保证同样的精度的基础上,通过内部超节点的应用,避免了传统动力超单元法对于选择保留自由度的依赖。
⑷进一步研究随机减量函数和相应触发条件,改进了传统的随机减量法,提高了该方法计算结果的稳定性,拓宽其适用范围,对于随机响应信号的处理和时域模态参数识别的研究具有重要意义。
⑸数值简化模型和试验模型相结合的研究,得到和实际结构更加吻合的数值模型。基于西江4-21导管架海洋平台建立实验室缩尺平台模型,分别利用频域和时域两种识别方法求得模型结构的低阶模态参数,并将结果进行比较。重点讨论基于环境激励下模态参数识别的时域过程,对实际环境下的复杂结构的动力分析具有重要意义。利用试验测试结果,提出基于频率变化的简化模型修正方法。