專利名稱：工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)有限元模型的評(píng)估方法，用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)有限元 模型的質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)估。
背景技術(shù)：
有限單元法是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析方法之一，它基于離散的思想，將連 續(xù)的求解區(qū)域分為一組數(shù)目有限、相互連接的單元的組合體。利用假設(shè)的近似函數(shù)來分片 地表示求解域上待求解的場(chǎng)函數(shù)，將場(chǎng)函數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值歸結(jié)為新的未知量，從而 使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。有限單元法已經(jīng)成為工程中不可或缺的、具有廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析方法，大 量的有限元建模與分析軟件，如MSC\PATRAN、MSC\NASTRAN、ANSYS, ALGOR、ABAQUS等，在方 便設(shè)計(jì)人員的同時(shí)，也促進(jìn)了有限元分析技術(shù)的推廣與應(yīng)用。目前，在土木、機(jī)械、航空航天 甚至醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)分析的各個(gè)環(huán)節(jié)均廣泛采用有限元模型。然而，隨著工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不斷提高，有限元模型的質(zhì)量問題日益凸顯。由于 分析過程中存在著眾多的不確定性因素以及引入了多種假設(shè)，使得有限元模型必然存在誤 差，例如邊界條件的誤差，物理參數(shù)的誤差，結(jié)構(gòu)連接條件失真，局部或整體的非線性，單元 類型的選擇和單元的劃分不適當(dāng)，實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)和分析的狀態(tài)不一致等，有限元分析結(jié)果 不可能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)特性。隨著有限元模型在工程中日益廣泛的應(yīng)用，有限元模型的質(zhì) 量評(píng)估將成為不可回避的問題。因此迫切需要一種評(píng)估技術(shù)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)有限元模型的質(zhì) 量進(jìn)行評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工程結(jié)構(gòu)有限元模 型評(píng)估方法。技術(shù)方案本發(fā)明所述的工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，包括如下步驟(1)建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型，具體方法為(11)確定工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征；(12)以結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征為因變量，以結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，建立數(shù)學(xué)模型；(13)依據(jù)數(shù)學(xué)模型，確定質(zhì)量合格與質(zhì)量不合格的判據(jù)。(2)建立有限元模型的評(píng)估模型，具體方法為(21)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定樣本點(diǎn)；(22)以樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算；(23)采用有限元計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征數(shù)據(jù)，通過擬合獲得評(píng)估模型。(3)利用評(píng)估模型計(jì)算工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征的上下界，具體方法為(31)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的區(qū)間；(32)利用評(píng)估模型，計(jì)算在上述區(qū)間上，結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征的上下界
(4)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)上下界和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，具體 方法為根據(jù)上下界和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在上下界內(nèi)，則有限元模型質(zhì)量合 格；如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超過上下界，則有限元模型質(zhì)量不合格。本發(fā)明方法重點(diǎn)解決評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型的建立、有限元模型的評(píng)估模型的建 立，以及如何應(yīng)用該方法對(duì)工程結(jié)構(gòu)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行客觀地評(píng)估。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為本發(fā)明通過建立有限元模型的評(píng)估模型， 并建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)有 限元模型的質(zhì)量評(píng)估，可填補(bǔ)目前有限元方法研究與應(yīng)用的空白，保障工程設(shè)計(jì)人員正確 地建立和應(yīng)用有限元模型。


圖1為實(shí)施例1、2中彈性支承的梁結(jié)構(gòu)；圖2為實(shí)施例1邊界采用彈性單元模擬的梁結(jié)構(gòu)有限元模型A模型；圖3為實(shí)施例2邊界采用固支模擬的梁結(jié)構(gòu)有限元模型B模型。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。實(shí)施例1圖1所示為一個(gè)彈性支承的梁結(jié)構(gòu)，該梁結(jié)構(gòu)長700mm，彈性支承長100mm。圖2為 其有限元模型A模型，A模型主體劃分為10個(gè)梁?jiǎn)卧?，每個(gè)單元長70mm，EI表示截面剛度。 彈性支承的邊界采用兩個(gè)彈簧單元模擬，Kr表示扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，Kt表示豎向彈簧剛度。下 面采用本發(fā)明的辦法對(duì)A模型進(jìn)行評(píng)估。(1)建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型，具體方法如下首先，以圖1所示彈性支承的梁結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率作為力學(xué)特征。其次，將梁結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率作為因變量，以10個(gè)梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠葏?shù)和2個(gè)彈簧 剛度參數(shù)共12個(gè)參數(shù)作為自變量，建立集合模型。最終，依據(jù)集合模型，確定質(zhì)量合格與質(zhì)量不合格判據(jù)。質(zhì)量合格判據(jù)為若有限 元模型前6階計(jì)算模態(tài)頻率均在集合內(nèi)，則有限元模型合格。質(zhì)量不合格判據(jù)為若有限元 模型前6階計(jì)算模態(tài)頻率有任意一階不在集合內(nèi)，則有限元模型不合格。(2)建立有限元模型的評(píng)估模型，具體方法如下首先，以10個(gè)梁?jiǎn)卧膭偠葏?shù)和2個(gè)彈簧單元?jiǎng)偠葏?shù)作為D最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方 法的因素，確定樣本點(diǎn)，這里的樣本點(diǎn)將表達(dá)為歸一化數(shù)據(jù)。其次，將上述歸一化的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)。采用這些結(jié)構(gòu)剛 度參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算。最終，將有限元計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)計(jì)算模態(tài)頻率和12個(gè)剛度參數(shù)通過擬合獲得評(píng) 估模型。評(píng)估模型可以采用多種形式，例如多項(xiàng)式形式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式等，以下以多項(xiàng)式形 式的評(píng)估模型為例進(jìn)行說明令f代表結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，即前6階模態(tài)頻率，Pj e [-1，1]代表歸一化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即10個(gè)梁?jiǎn)卧膭偠葏?shù)和2個(gè)彈簧單元?jiǎng)偠葏?shù)。β ^和是待定的系數(shù)，那么模態(tài)頻率和12個(gè)剛度參數(shù)之間存在以下關(guān)系
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權(quán)利要求
一種工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，其特征在于包括如下步驟(1)建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型；(2)建立有限元模型的評(píng)估模型；(3)利用評(píng)估模型計(jì)算工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征的上下界；(4)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)上下界和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，其特征在于步驟(1)的具體 方法為(11)確定工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征；(12)以結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征為因變量，以結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，建立數(shù)學(xué)模型；(13)依據(jù)數(shù)學(xué)模型，確定質(zhì)量合格與質(zhì)量不合格的判據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，其特征在于步驟(2)的具體 方法為(21)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定樣本點(diǎn)；(22)以樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算；(23)采用有限元計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征數(shù)據(jù)，通過擬合獲得評(píng)估模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，其特征在于步驟(3)的具體 方法為(31)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的區(qū)間；(32)利用評(píng)估模型，計(jì)算在上述區(qū)間上，結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征的上下界。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，其特征在于步驟(4)的具體 方法為根據(jù)上下界和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在上下界內(nèi)，則有限元模型質(zhì)量合 格；如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超過上下界，則有限元模型質(zhì)量不合格。
全文摘要
本發(fā)明公開一種工程結(jié)構(gòu)有限元模型評(píng)估方法，包括如下步驟(1)建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型；(2)建立有限元模型的評(píng)估模型；(3)利用評(píng)估模型計(jì)算工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征的上下界；(4)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)上下界和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明通過建立有限元模型的評(píng)估模型，并建立評(píng)估方法的數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)有限元模型的質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)有限元模型的質(zhì)量評(píng)估，可填補(bǔ)目前有限元方法研究與應(yīng)用的空白，保障工程設(shè)計(jì)人員正確地建立和應(yīng)用有限元模型。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101976279SQ20101050599
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者費(fèi)慶國, 韓曉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)