一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)接口及處理模塊，混合建模及綜合模塊，可視化融合顯示模塊，模型修正模塊，采用有限元計算(虛擬試驗)和實物試驗的方式分別對所有子結(jié)構(gòu)進行計算或試驗驗證，根據(jù)實物試驗結(jié)果數(shù)據(jù)修正有限元模型(虛擬試驗模型)，同時，利用虛擬試驗預示的試驗趨勢指導實物試驗，完善實物驗證試驗方案，最后根據(jù)由虛擬試驗模型和實物試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建的混合模型進行復雜系統(tǒng)的綜合試驗環(huán)境疊加顯示，并在疊加顯示模塊中采用LOD管理技術(shù)，提高Virtools中物理場數(shù)據(jù)疊加顯示的效率。
【專利說明】-種基于VirtooIs的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，屬于計算機 仿真【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著當代大型結(jié)構(gòu)和復雜結(jié)構(gòu)（如火箭、海上石油平臺、大型建筑、大跨度橋梁 等）在工程中廣泛應用，結(jié)構(gòu)建模技術(shù)的要求越來越高，同時，難度也不斷提高。結(jié)構(gòu)的大 型化決定了對結(jié)構(gòu)整體進行傳統(tǒng)的有限元分析計算的效率低下，要求采取子結(jié)構(gòu)綜合建模 技術(shù)。與此同時，由于工程中某些重要部件存在大量試驗數(shù)據(jù)，如何有效利用這些試驗數(shù)據(jù) 將其與系統(tǒng)中的其他部件綜合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的混合建模，建立系統(tǒng)的動力學模型，使其應 用于系統(tǒng)的模態(tài)分析、動態(tài)響應分析以及各種耦合分析。其工作是非常具有理論價值和實 際意義的。
[0003] 虛擬仿真技術(shù)是近期發(fā)展起來的一門廣泛應用于工程分析的有效工具，它能幫助 技術(shù)人員深入理解研究對象物理性質(zhì)（如結(jié)構(gòu)的應力應變、流速、壓力等），再現(xiàn)各種物理 特征（如結(jié)構(gòu)振型、流場流線等）。同時，經(jīng)過適當數(shù)據(jù)處理，也可用于實物試驗數(shù)據(jù)的可視 化。能同時實現(xiàn)虛實混合建模和模型修正的系統(tǒng)還沒看到公開的文獻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于Virtools的多元數(shù) 據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，該顯示系統(tǒng)主要針對混合建模系統(tǒng)中理論模型與試驗模型在 Virtools虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的疊加顯示技術(shù)，將混合建模系統(tǒng)平臺計算得到的理論模型數(shù)據(jù) 和虛擬試驗數(shù)據(jù)，在Virtools虛擬現(xiàn)實環(huán)境中動態(tài)顯示，模擬物體實際情況，進而達到系 統(tǒng)方案和產(chǎn)品性能的優(yōu)化設(shè)計，即可以實現(xiàn)"虛實融合"、"以虛預示"的試驗驗證模式，對實 際設(shè)計工作起到指導性作用。
[0005] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0006] -種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)接口及處理模 塊，混合建模及綜合模塊，可視化融合顯示模塊，模型修正模塊，其中：
[0007] 數(shù)據(jù)接口及處理模塊：接收外部輸入的有限元數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)并按照設(shè)定的數(shù)據(jù) 格式進行存儲，所述有限元數(shù)據(jù)包括有限元模型數(shù)據(jù)、有限元模態(tài)數(shù)據(jù)和有限元模型分析 結(jié)果數(shù)據(jù)；所述試驗數(shù)據(jù)包括試驗模型數(shù)據(jù)、試驗頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和試驗模態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)；
[0008] 混合建模及綜合模塊：調(diào)用數(shù)據(jù)接口及處理模塊中的有限元數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)，采 用所述有限元數(shù)據(jù)進行建模得到理論模型，采用所述試驗數(shù)據(jù)進行建模得到試驗模型，將 所述理論模型與試驗模型進行綜合建模，得到混合有限元模型；
[0009] 可視化融合顯示模塊：將混合建模及綜合模塊中得到的混合有限元模型進行顯 示；
[0010] 模型修正模塊：根據(jù)混合有限元模型的模態(tài)數(shù)據(jù)與外部輸入的試驗數(shù)據(jù)計算模態(tài) 置信準則矩陣，即MAC矩陣，之后進行相關(guān)性分析，若滿足置信度要求，則判斷所述混合有 限元模型為可靠模型，若不滿足置信度要求，則對所述混合有限元模型進行修正，直至模型 滿足置信度要求。
[0011] 在上述基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)中，混合建模及綜合模 塊建立整體有限元模型的具體方法如下：
[0012] (1)、將有限元數(shù)據(jù)離散化，得到有限元節(jié)點數(shù)據(jù)、有限元單元數(shù)據(jù)、有限元邊界條 件數(shù)據(jù)、模態(tài)振型數(shù)據(jù)、模態(tài)參數(shù)及單元約束數(shù)據(jù)，并將所述有限元節(jié)點數(shù)據(jù)、有限元單元 數(shù)據(jù)、有限元邊界條件數(shù)據(jù)、模態(tài)振型數(shù)據(jù)、模態(tài)參數(shù)及單元約束數(shù)據(jù)存儲為設(shè)定的格式， 即得到理論模型的模態(tài)數(shù)據(jù)，完成理論模型的建模；
[0013] (2)、將試驗數(shù)據(jù)離散化，得到試驗節(jié)點數(shù)據(jù)、線框單元數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)點數(shù)據(jù)和試 驗模態(tài)數(shù)據(jù)，并將所述試驗節(jié)點數(shù)據(jù)、線框單元數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)點數(shù)據(jù)和試驗模態(tài)數(shù)據(jù)存儲 為設(shè)定的格式，即得到試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)，完成試驗模型的建模；所述步驟（1)與步驟 (2)中所述設(shè)定的格式為相同格式；
[0014] (3)、將步驟（1)中理論模型的模態(tài)數(shù)據(jù)和步驟（2)中的試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn) 化為頻響函數(shù)，并將理論模型的頻響函數(shù)與試驗模型的頻響函數(shù)進行綜合，得到混合有限 元模型的頻響函數(shù)，再將所述混合有限元模型的頻響函數(shù)進行模態(tài)識別，得到混合有限元 模型模態(tài)數(shù)據(jù)，完成混合有限元模型的建模。
[0015] 在上述基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)中，步驟（3)中將理論模 型的模態(tài)數(shù)據(jù)和試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻響函數(shù)Hu的具體方法如下：
[0016] 將模態(tài)數(shù)據(jù)通過如下公式計算得到中間響應量{X}: r

【權(quán)利要求】
1. 一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特征在于：包含數(shù)據(jù)接口 及處理模塊，混合建模及綜合模塊，可視化融合顯示模塊，模型修正模塊，其中 ： 數(shù)據(jù)接口及處理模塊：接收外部輸入的有限元數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)并按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式 進行存儲，所述有限元數(shù)據(jù)包括有限元模型數(shù)據(jù)、有限元模態(tài)數(shù)據(jù)和有限元模型分析結(jié)果 數(shù)據(jù)；所述試驗數(shù)據(jù)包括試驗模型數(shù)據(jù)、試驗頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和試驗模態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)； 混合建模及綜合模塊：調(diào)用數(shù)據(jù)接口及處理模塊中的有限元數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)，采用所 述有限元數(shù)據(jù)進行建模得到理論模型，采用所述試驗數(shù)據(jù)進行建模得到試驗模型，將所述 理論模型與試驗模型進行綜合建模，得到混合有限元模型； 可視化融合顯示模塊：將混合建模及綜合模塊中得到的混合有限元模型進行顯示； 模型修正模塊：根據(jù)混合有限元模型的模態(tài)數(shù)據(jù)與外部輸入的試驗數(shù)據(jù)計算模態(tài)置信 準則矩陣，即MAC矩陣，之后進行相關(guān)性分析，若滿足置信度要求，則判斷所述混合有限元 模型為可靠模型，若不滿足置信度要求，則對所述混合有限元模型進行修正，直至模型滿足 置信度要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特 征在于：所述混合建模及綜合模塊建立整體有限元模型的具體方法如下 ： (1) 、將有限元數(shù)據(jù)離散化，得到有限元節(jié)點數(shù)據(jù)、有限元單元數(shù)據(jù)、有限元邊界條件數(shù) 據(jù)、模態(tài)振型數(shù)據(jù)、模態(tài)參數(shù)及單元約束數(shù)據(jù)，并將所述有限元節(jié)點數(shù)據(jù)、有限元單元數(shù)據(jù)、 有限元邊界條件數(shù)據(jù)、模態(tài)振型數(shù)據(jù)、模態(tài)參數(shù)及單元約束數(shù)據(jù)存儲為設(shè)定的格式，即得到 理論模型的模態(tài)數(shù)據(jù)，完成理論模型的建模； (2) 、將試驗數(shù)據(jù)離散化，得到試驗節(jié)點數(shù)據(jù)、線框單元數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)點數(shù)據(jù)和試驗模 態(tài)數(shù)據(jù)，并將所述試驗節(jié)點數(shù)據(jù)、線框單元數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)點數(shù)據(jù)和試驗模態(tài)數(shù)據(jù)存儲為設(shè) 定的格式，即得到試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)，完成試驗模型的建模；所述步驟（1)與步驟（2)中 所述設(shè)定的格式為相同格式； (3) 、將步驟（1)中理論模型的模態(tài)數(shù)據(jù)和步驟（2)中的試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為 頻響函數(shù)，并將理論模型的頻響函數(shù)與試驗模型的頻響函數(shù)進行綜合，得到混合有限元模 型的頻響函數(shù)，再將所述混合有限元模型的頻響函數(shù)進行模態(tài)識別，得到混合有限元模型 模態(tài)數(shù)據(jù)，完成混合有限元模型的建模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特 征在于：所述步驟（3)中將理論模型的模態(tài)數(shù)據(jù)和試驗模型的模態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻響函數(shù)Hu 的具體方法如下： 將模態(tài)數(shù)據(jù)沖J通過如下公式計算得到中間響應量{X}:
其中：N為總模態(tài)數(shù)，j為自由度數(shù)，?Φ, !為結(jié)構(gòu)的第r階模態(tài)，k,為第r階模態(tài)剛度， L為第r階模態(tài)阻尼，Ω^為第r階固有頻率，w為激勵點位移；F為激振力；為書寫方便， 令λ^ =w/Ω^假定只在結(jié)構(gòu)的j點作用有激振力Fj，那么： F= {0O…FjO…0}τ
式中，?為{的}向量的第j個元素，任一點i處的響應Xi將是：
式中，&為(奶.；(向量的第i個元素，于是可得：
Hij即為i，j之間的頻響函數(shù)，表示在j點作用單位力時，在i點所引起的響應。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特 征在于：所述步驟（3)中采用固定界面模態(tài)綜合法或自由界面模態(tài)綜合法將理論模型的頻 響函數(shù)與試驗模型的頻響函數(shù)進行綜合，得到混合模型的頻響函數(shù)，再將所述混合模型頻 響函數(shù)通過多項式擬合法（Levy)方法進行模態(tài)識別，得到混合模型模態(tài)數(shù)據(jù)，完成混合有 限元模型的建模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特 征在于：所述模型修正模塊根據(jù)混合有限元模型的模態(tài)數(shù)據(jù)與外部輸入的與混合有限元模 型對應的試驗數(shù)據(jù)計算模態(tài)置信準則矩陣，即MC矩陣，之后進行相關(guān)性分析，若滿足置信 度要求，則判斷所述混合有限元模型為可靠模型，若不滿足置信度要求，則對所述混合有限 元模型進行修正，直至模型滿足置信度要求的具體實現(xiàn)過程如下： (1) 、采用振型匹配的方法根據(jù)混合有限元模型的模態(tài)數(shù)據(jù)與外部輸入的模態(tài)試驗數(shù) 據(jù)計算混合有限元模型的各階模態(tài)與實物試驗結(jié)果之間各階模態(tài)的相關(guān)性，得到模態(tài)置信 準則MAC矩陣，所述MAC矩陣的行為試驗振型，列為理論振型； (2) 、提取MAC矩陣第1列最大值{MACmax}i以及所述最大值{MACmax}i在第1列中的行的 位置il，則Π即是與第一階試驗模態(tài)匹配的有限元模態(tài)階數(shù)，得到第一組匹配對：{1，il}， 提取MAC矩陣第2列最大值{MACmax}2以及所述最大值{MACmax}2在第2列中的行的位置i2， 則i2即是與第二階試驗模態(tài)匹配的有限元模態(tài)階數(shù)，得到第二組匹配對：{2,i2}，……，依 次類推，得到第η組匹配對：{n，in}，所述η為MC矩陣的總列數(shù)； (3) 、判斷所述11組匹配對{1，11}……{n，in}對應的η個（MACmaJ1……最大值{MACmax}n 是否滿足置信度要求，即是否達到設(shè)定的置信度，若滿足置信度要求，則判斷所述整體有限 元模型為可靠模型，否則進入步驟（4); (4) 、改變整體有限元模型的初始參數(shù),重新得到η組匹配對{1,il}......{n,in}對應的 η個最大值{MACmax}i……最大值{MACmax}n，返回步驟（3)，直至η組匹配對{1，il}……{n，in}對應的η個最大值（MACmajJ1……最大值{MACmax}n滿足置信度要求。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Virtools的多元數(shù)據(jù)融合虛擬試驗顯示系統(tǒng)，其特 征在于：所述可視化融合顯示模塊通過LOD管理技術(shù)將混合建模及綜合模塊中得到的整體 有限元模型進行顯示。
【文檔編號】G06F17/50GK104318005SQ201410557273
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】蔡晶琦, 王悅, 吳迪, 郭愛民, 王月, 肖凱, 蘇玲 申請人:中國運載火箭技術(shù)研究院