面向力学环境预示的卫星动力学模型修正方法研究

本课题由东南大学和中国航天科技集团公司第五研究院总体部联合申请，课题针对卫星力学环境预示的核心科学问题之一：卫星高精度有限元建模，以卫星有限元模型修正为主题，考虑卫星结构与材料的复杂性，研究卫星动力学模型修正方法。研究内容包括：有限元初始模型评估方法、复合材料特性参数和连接刚度识别方法、待修正参数选择方法、以响应为目标的修正方法、有限元修正模型评价方法等。还将基于商用有限元软件开发有限元模型修正程序并与商用有限元分析软件实现集成。上述研究内容中，有限元初始模型评估方法、复合材料与连接刚度的非确定性识别方法、基于响应数据的鲁棒修正方法是本课题研究的重点。课题将解决三个关键科学问题：评估模型建立与分析方法、非确定性识别方法、修正问题的鲁棒求解方法。课题预期将形成工程适用的卫星结构有限元模型修正方法；开发具有自主知识产权、工程适用性较好的卫星有限元模型修正软件。

课题组围绕卫星结构动力学模型修正这一主题，突破了3个关键科学问题：评估模型建立与分析方法、非确定性识别方法、修正问题的鲁棒求解方法；完成了5项研究内容：有限元初始模型评估方法、复合材料特性参数和连接刚度识别方法、待修正参数选择方法、以响应为目标的修正方法、有限元修正模型评价方法；编制了模型修正程序，实现了修正程序与商用有限元分析软件跨平台集成。综合以上研究成果形成了工程适用的卫星结构有限元模型修正方法。具体而言，取得的各项科研成果包括：.（1）建立了结构动力学模型评估的理论框架，提出并证明了结构动力学模型评估的映射方法，提出了具有工程适用性的结构动力学模型可修性评估准则。该方法不仅可以用于有限元初始模型评估，而且可以用于有限元修正模型评价，为航天器结构工程师规范化实施动力学模型评估提供了理论方法支撑。（2）发展了非确定性识别的摄动方法和区间方法，推导了摄动方法中待识别参数均值和协方差矩阵的迭代格式，推导了区间方法中待识别参数中值与区间宽度的迭代格式。研究了C/SiC复合材料、蜂窝夹层材料弹性参数等效以及螺栓、铆钉等典型连接建模问题，研究了基于摄动法和区间法的弹性参数和连接刚度非确定性识别问题。（3）提出了基于方差分析的待修正参数选择方法，在参数定义域全局上评估参数对结构动态特征的影响，根据全局评估结果确定待修正参数。提出了识别计算中模态阶次确定的稳定图方法。发展了识别计算中正则化参数确定的L曲线方法。（4）提出了基于基础激励响应数据的动力学模型修正方法，推导了两种形式基于基础激励响应数据修正方法的迭代格式，即灵敏度分析形式和子矩阵因子形式。提出了基于频率响应数据修正方法的子矩阵因子形式。形成了以响应为目标的动力学模型修正的完整理论体系。解决了非测量自由度响应扩展、大误差条件下的数据选择等关键问题，提出了了大误差条件下的自适应频点法。（5）完成了多型航天器结构动力学模型修正，修正后主要模态频率误差在5%以内。（6）完成并投稿研究论文30余篇，已发表论文20篇，待发表论文5篇。已发表论文被SCI收录5篇，EI收录8篇。在课题资助下，课题负责人入选了 “教育部新世纪优秀人才支持计划”，7名硕士生（姜东、冯玉良、武子靖、张明、焦正超、赵卫、王维辉）完成学位论文答辩，2名硕士生（江智远、史勤丰）即将于2013年3月份答辩，3名硕士生（陆韬、周剑如、赵炳云）完成学位论文开题。