基于贝叶斯正则化的复合材料结构冲击载荷识别研究

发布时间：2020-03-29 13:57

【摘要】：当前复合材料在航空飞行器结构上的使用量与日递增已成为一种趋势。但复合材料结构在外物低速冲击下容易产生目不可检的内部损伤,造成结构强度及稳定性的急剧下降,引发结构破坏等严重后果。因此利用结构健康监测系统对作用在复合材料结构上的冲击载荷进行识别,对进一步评估冲击损伤情况,及时进行决策维护提高结构使用安全性具有重要意义。本文在前人工作基础上对复合材料结构冲击载荷识别进行了研究。首先基于Duhamel积分方程的离散化建立了用于冲击载荷识别的时域模型,分析了冲击载荷识别问题的不适定性,引入正则化方法消除不适定性的影响;其次基于贝叶斯统计理论,提出了一种基于贝叶斯正则化(增广Tikhonov正则化)的冲击载荷识别方法,可以从测量数据中自适应地确定最优正则化参数,并识别冲击载荷时间历程。利用有限元仿真软件MSC.Patran/Nastran建立了复合材料机翼结构模型,进行了数值仿真研究,通过贝叶斯正则化识别了作用于机翼结构模型上的冲击载荷时间历程,并与结合了L曲线和GCV正则化参数选取法的Tikhonov正则化识别结果作了比较。最后建立了冲击载荷识别实验系统,对复合材料泡沫夹层结构进行实验研究,提出了一种最小化目标函数并结合线性插值拟合的方法来实现冲击位置识别,并使用贝叶斯正则化法对冲击载荷的时间历程进行了重建。数值仿真结果和实验结果都验证了所提出的冲击载荷识别方法的可行性和有效性。
【图文】：

复合材料,军用飞机,层合结构,复合材料结构

结构的复合材料化可以极大地降低飞行器机体重量以提高飞行性能和降低飞行过程中燃料的损耗。美国所研制的军用飞机，由早期F-16战斗机到最新的F-35战斗机，其树脂基复合材料在机体结构中所占比例基本上逐步递增，如图1.1，，在B-2隐身轰炸机上的用量更是达到了50%。俄罗斯所研制的第5代验证机S-37也大量地使用了复合材料，并将复合材料应用在了该机型弯曲进气道及前掠式机翼等特殊结构中，从而显著地提高了20%~25%的有效载荷，并且降低了约40%~60%的生产成本，极大地提升了该机型的综合作战性能[2]。法国与德国共同合作研制的PAH-2武装直升机，其复合材料的使用量占全机总结构质量的45%，占比接近一半；美国研制的轻型侦察攻击直升机RAH-66

复合材料层板

[5]。外物低速冲击对复合材料结构造成的损伤通常都在内部，而外表面无显著的损伤痕迹。如图1.2展示了一个经历了8 J能量低速冲击的碳纤维复合材料层板，其外表面只有很轻微的凹痕，但是经过红外检测，其内部已存在一尺寸较大的椭圆形损伤。像这类目不可检的冲击损伤，可能会严重威胁到飞机的飞行安全，极大地增加了飞机后期维护的时间和精力[6]。如果这些内部损伤不能被及时发现而任其发展，将可能会造成灾难性的后果。图1.2 受冲击的复合材料层板在飞机结构的传统维护中所采用的无损检测技术，如X射线检测、超声C扫描检测、红外检测等等，大多需要将结构进行拆卸检测，待检测完成之后再将其重新组装使用。而且这些检测设备的体积较大，这样会花费大量的人力物力，如果对大型结构进行检测，实施起来也十分困难。加之飞机结构的设计趋于复杂化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O347.3

【参考文献】