不确定性结构动力学模型确认方法及其在卫星中的应用研究

The project intends to make a study of dynamic model validation of aircraft structures taking into uncertainties account. The research objectives are uncertain finite element (FE) models of complex spacecrafts such as satellites during dynamic analysis. In order to enhance structure modeling technology of the satellites and other spacecrafts for application background, the overall approach of model validation is extended to probability statistical model and uncertain-but-bounded interval model. Crucial aspects such as parameter filtering of uncertain inputs, selection and constitution of uncertainty quantification metrics, comprehensive evaluation of validation results based on accuracy and robustness, generation of testing samples, and physical test scheme design are intensively studied. The project aims at enriching and developing the relevant theories of dynamic model validation of complex aerospace structures. The research findings can lay the foundation for high-reliability modeling and dynamic analysis of complex spacecrafts, and provide references for other engineering structures. The involved theory and method have important theoretical significance and application value.

本项目拟对考虑不确定性飞行器结构的动力学有限元模型展开模型确认的理论与方法研究。研究对象是卫星等复杂航天器在动力学分析中的不确定性有限元模型。以概率统计理论和有界不确定性区间模型为途径，以提升卫星等航天器结构建模技术为应用背景，将结构动力学模型确认的总体方法路线进行进一步的拓展，解决方法路线中的不确定性输入参数筛选、不确定性量化指标的选择与构造、模型确认结果精确度与鲁棒性的综合评价、试验样本获取及试验验证方案设计等重点难点问题。本项目的工作将丰富和发展卫星等航天器结构动力学模型确认方法和相关理论，并将为复杂飞行器结构的高可靠性建模，动力学特性的准确分析奠定基础，同时能为其它工程结构的分析与设计提供理论依据，具有很好的理论意义和工程应用价值。

项目针对飞行器结构动力学有限元模型展开了模型确认的理论与方法研究。针对飞行器结构有限元模型参与修正的不确定参数过多的问题，基于方差分析与试验设计相结合的方法，定量地描述输入参数对结构输出特征的影响，完成了不确定性显著、影响重大的“关键参数”的筛选与过滤；针对试验测量与有限元分析两方面数据差异的定量描述，引入了欧氏距离、马氏距离以及巴氏距离等统计学距离，构建了多种不确定性量化准则，结合有界不确定区间模型修正的特点，发展了数据差异相关性分析的区间量化指标：区间重合度及子区间重合度。应用统计学领域的聚类分析方法，基于修正后有限元模型有效性评价的多级确认准则，发展了对修正后飞行器结构有限元模型有效性评价的方法。在区间动力学模型修正方面，利用摄动理论进行了有界不确定性参数修正的方法研究，得到了分别用于修正输入参数标称值和区间半径的优化反演方程，该方法具有较强的鲁棒性及较高的修正精度。在病样数据的试验样本的获取方面，项目提出了一种通过对试验数据再抽样，获取新的测量数据为试验样本的方法。结合人工智能技术，提出了一种基于迁移学习的小样本模型修正新方法，构建少量样本下待修正数据到试验数据的逆向映射。某卫星分析结果验证了所发展的方法的合理性和有效性。项目完成了试验验证方案的设计，并结合实际工程型号的研制，验证了所发展的方法和理论实用性。基于所发展的不确定性的传递与量化的方法和理论，项目还对飞行器结构热传导模型、非线性结构动力学模型的修正与确认及复合材料层合结构的可靠性分析方法进行了研究。项目的研究成果已丰富和发展了卫星等航天器结构动力学模型确认方法和相关理论，已有的工程应用表明相关理论和方法能用于复杂飞行器结构的高可靠性建模，动力学特性的准确分析，同时能为其它工程结构的分析与设计提供理论依据，具有很好的理论意义和工程应用价值。