該技術(shù)屬于靜力試驗(yàn)與預(yù)示領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)殼體加筋結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)與預(yù)示方法。

背景技術(shù)：

運(yùn)載火箭在研制過(guò)程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是重要考核對(duì)象，目前我們主要通過(guò)3種手段來(lái)分析：1、工程算法分析；2、有限元預(yù)示仿真分析；3、實(shí)體靜力試驗(yàn)考核。工程算法分析主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)初期對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀強(qiáng)度和剛度評(píng)估，其特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低、計(jì)算時(shí)間少、幾乎沒(méi)有可視化顯示、精度差、分析結(jié)果總體趨勢(shì)正確，但是，對(duì)于運(yùn)載火箭這種產(chǎn)品，要求結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量高承載比，越來(lái)越需要對(duì)結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)，工程算法無(wú)法滿足后續(xù)要求。而對(duì)于有限元仿真計(jì)算除了具有成本低、時(shí)間短的特點(diǎn)以外，還可以可視化模擬結(jié)構(gòu)在環(huán)境載荷作用下全結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度等數(shù)值的變化趨勢(shì)和量級(jí)。但是，由于仿真計(jì)算過(guò)程中，由于模型的簡(jiǎn)化、邊界的約束、材料的等效、分析理論的差異導(dǎo)致仿真計(jì)算結(jié)果的可行性值得評(píng)估。對(duì)于真實(shí)靜力試驗(yàn)可以真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)在承受環(huán)境載荷下結(jié)構(gòu)變形、破壞、失穩(wěn)等形變。但是，由于其實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)遇到如下情況：1、成本高；2、測(cè)量數(shù)據(jù)有限，不可能對(duì)所以關(guān)心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量；3、測(cè)量空間有限，對(duì)測(cè)量傳感器無(wú)法布置區(qū)域(表面曲率太大、小封閉空間)是無(wú)法獲得測(cè)量數(shù)據(jù)；4、在載荷施加或邊界約束時(shí)，不可避免的需要其它輔助工裝，這些工裝通常剛度與真實(shí)環(huán)境下邊界剛度由部分差異，但是，邊界因素對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度局部區(qū)域影響大、不可忽略；5、其它環(huán)境原因不可避免，如氣溫變化、風(fēng)載變化的因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種針對(duì)殼體加筋結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)與預(yù)示方法， 為航天飛行器的設(shè)計(jì)和分析提供更有力的支撐。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種針對(duì)殼體加筋結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)與預(yù)示方法，包括以下步驟：

步驟一：建立有限元模型，依據(jù)模型的幾何尺寸、材料、邊界條件、載荷建立相應(yīng)的有限元模型，并計(jì)算分析，得到有限元結(jié)果文件；

步驟二：依據(jù)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)XYZ，獲取對(duì)應(yīng)位置有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而獲得測(cè)點(diǎn)信息，測(cè)點(diǎn)信息由兩個(gè)文件組成：有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件、有限元結(jié)果文件，

步驟三：通過(guò)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)XYZ，獲取對(duì)應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)測(cè)定編號(hào)；從而獲取試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息由兩個(gè)文件組成：試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件、試驗(yàn)結(jié)果文件，

步驟四：在步驟一中建立的有限元模型中查找與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)幾何位置距離最近的節(jié)點(diǎn)，然后將測(cè)點(diǎn)的自由度與有限元節(jié)點(diǎn)的自由度完成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟五：通過(guò)計(jì)算步驟二中的有限元結(jié)果文件與步驟三中的試驗(yàn)結(jié)果文件模態(tài)置信度MAC，驗(yàn)證有限元預(yù)示與試驗(yàn)變形趨勢(shì)是否一致，其中：

$\mathrm{MAC}=\frac{{\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_e{\mathrm{\Φ}}_a\right)}^2}{\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_e{\mathrm{\Φ}}_e\right)\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_a{\mathrm{\Φ}}_a\right)}$

式中，Φ_e代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)矩陣，Φ_a代表預(yù)示仿真有限元計(jì)算矩陣，其中，MAC值在0-1范圍內(nèi)，當(dāng)MAC＝0時(shí)，表示有限元預(yù)示與試驗(yàn)變形趨勢(shì)完全不同，當(dāng)MAC＝1時(shí)，表示兩者變形趨勢(shì)完全相同；

步驟六：繪制對(duì)比圖

步驟七：有限元模型修正

將步驟一中的有限元結(jié)果與步驟三中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行步驟五中的MAC值對(duì)比，再通過(guò)步驟六中所繪制的對(duì)比圖進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比圖變化形式來(lái)修正 有限元模型，從而達(dá)到MAC盡可能接近1，使計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相似度最大。

所述步驟二中，有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件按照測(cè)點(diǎn)順序?qū)y(cè)點(diǎn)進(jìn)行的排序，為nX1矩陣，通過(guò)有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件輸出應(yīng)力應(yīng)變位移，有限元結(jié)果文件由nX3矩陣描述，其中n為測(cè)點(diǎn)數(shù)目，每一列由三個(gè)數(shù)據(jù)表述，第一個(gè)為測(cè)點(diǎn)x坐標(biāo)，第二個(gè)為y坐標(biāo)，第三個(gè)為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移，對(duì)于小于3行或3列的測(cè)點(diǎn)，若可以在空間下繪制為一條曲線，則測(cè)點(diǎn)信息由2Xn矩陣描述，第一列為測(cè)點(diǎn)沿曲線的距離，第二列為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移大??；若不能在空間下繪制為一條曲線，則終止。

所述步驟三中，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件按照測(cè)點(diǎn)順序?qū)y(cè)點(diǎn)進(jìn)行的排序，為nX1矩陣，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件輸出應(yīng)力應(yīng)變位移，試驗(yàn)結(jié)果文件由nX3矩陣描述，其中n為測(cè)點(diǎn)數(shù)目，每一列由三個(gè)數(shù)據(jù)表述，第一個(gè)為測(cè)點(diǎn)x坐標(biāo)，第二個(gè)為y坐標(biāo)，第三個(gè)為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移，對(duì)于小于3行或3列的測(cè)點(diǎn)，若可以在空間下繪制為一條曲線，則試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息由2Xn矩陣描述，第一列為測(cè)點(diǎn)沿曲線的距離，第二列為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移大??；若不能在空間下繪制為一條曲線，則終止。

所述步驟六中，當(dāng)測(cè)點(diǎn)空間方向上可以描繪為3行、3列及以上的網(wǎng)格形狀，選用云圖繪制對(duì)比圖，其中，x坐標(biāo)為空間橫向尺寸；y坐標(biāo)為軸向尺寸；云圖顏色表示為應(yīng)力值大小，當(dāng)測(cè)點(diǎn)空間方向上只有1、2行或1、2列時(shí)，選用路徑對(duì)比曲線來(lái)繪制對(duì)比圖，其中，x軸為路徑相對(duì)距離，y軸為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變或位移。在對(duì)比某一特征點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，選用加載級(jí)別或載荷作為x軸，y軸為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移。

本發(fā)明的顯著效果在于：通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同載荷作用、不同邊界處理方式 下靜力預(yù)示仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。一方面，解決靜力試驗(yàn)與靜力預(yù)示仿真的系統(tǒng)性對(duì)比、全面性評(píng)估相關(guān)誤差，解決過(guò)去只能對(duì)極個(gè)別特征點(diǎn)小數(shù)據(jù)分析對(duì)比方法；另一方面，通過(guò)這些不同級(jí)別下對(duì)比分析，積累不同邊界模擬方式、不同求解方式、不同試驗(yàn)方法等對(duì)真實(shí)試驗(yàn)或仿真計(jì)算影響因子數(shù)據(jù)。再一方面，通過(guò)對(duì)比云圖、曲線、相似度可以直觀的反應(yīng)試驗(yàn)與預(yù)示之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)上述資料的評(píng)估可以決定試驗(yàn)是否繼續(xù)進(jìn)行，有無(wú)試驗(yàn)件或人身財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。

具體實(shí)施方式

一種針對(duì)殼體加筋結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)與預(yù)示方法，包括以下步驟

步驟一：建立有限元模型，依據(jù)模型的幾何尺寸、材料、邊界條件、載荷建立相應(yīng)的有限元模型，并計(jì)算分析，得到有限元結(jié)果文件；

步驟二：依據(jù)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)XYZ，獲取對(duì)應(yīng)位置有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而獲得測(cè)點(diǎn)信息，測(cè)點(diǎn)信息由兩個(gè)文件組成：有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件、有限元結(jié)果文件，有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件按照測(cè)點(diǎn)順序?qū)y(cè)點(diǎn)進(jìn)行的排序，為nX1矩陣，通過(guò)有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)文件輸出應(yīng)力應(yīng)變位移，有限元結(jié)果文件由nX3矩陣描述，其中n為測(cè)點(diǎn)數(shù)目，每一列由三個(gè)數(shù)據(jù)表述，第一個(gè)為測(cè)點(diǎn)x坐標(biāo)，第二個(gè)為y坐標(biāo)，第三個(gè)為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移，對(duì)于小于3行或3列的測(cè)點(diǎn)，若可以在空間下繪制為一條曲線，則測(cè)點(diǎn)信息由2Xn矩陣描述，第一列為測(cè)點(diǎn)沿曲線的距離，第二列為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移大??；若不能在空間下繪制為一條曲線，則終止；

步驟三：通過(guò)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)XYZ，獲取對(duì)應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)測(cè)定編號(hào)；從而獲取試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息由兩個(gè)文件組成：試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件、試驗(yàn)結(jié)果文件。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件按照測(cè)點(diǎn)順序?qū)y(cè)點(diǎn)進(jìn)行的排序，為nX1矩陣，通過(guò) 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)編號(hào)文件輸出應(yīng)力應(yīng)變位移，試驗(yàn)結(jié)果文件由nX3矩陣描述，其中n為測(cè)點(diǎn)數(shù)目，每一列由三個(gè)數(shù)據(jù)表述，第一個(gè)為測(cè)點(diǎn)x坐標(biāo)，第二個(gè)為y坐標(biāo)，第三個(gè)為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移。對(duì)于小于3行或3列的測(cè)點(diǎn)，若可以在空間下繪制為一條曲線，則試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息由2Xn矩陣描述，第一列為測(cè)點(diǎn)沿曲線的距離，第二列為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移大??；若不能在空間下繪制為一條曲線，則終止；

步驟四：在步驟一中建立的有限元模型中查找與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)幾何位置距離最近的節(jié)點(diǎn)，然后將測(cè)點(diǎn)的自由度與有限元節(jié)點(diǎn)的自由度完成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟五：通過(guò)計(jì)算步驟二中的有限元結(jié)果文件與步驟三中的試驗(yàn)結(jié)果文件模態(tài)置信度MAC，驗(yàn)證有限元預(yù)示與試驗(yàn)變形趨勢(shì)是否一致，其中：

$\mathrm{MAC}=\frac{{\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_e{\mathrm{\Φ}}_a\right)}^2}{\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_e{\mathrm{\Φ}}_e\right)\left({{\mathrm{\Φ}}^T}_a{\mathrm{\Φ}}_a\right)}$

式中，Φ_e代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)矩陣，Φ_a代表預(yù)示仿真有限元計(jì)算矩陣。其中，MAC值在0-1范圍內(nèi)，當(dāng)MAC＝0時(shí)，表示有限元預(yù)示與試驗(yàn)變形趨勢(shì)完全不同，當(dāng)MAC＝1時(shí)，表示兩者變形趨勢(shì)完全相同；

步驟六：繪制對(duì)比圖

當(dāng)測(cè)點(diǎn)空間方向上可以描繪為3行、3列及以上的網(wǎng)格形狀，選用云圖繪制對(duì)比圖。其中，x坐標(biāo)為空間橫向尺寸；y坐標(biāo)為軸向尺寸；云圖顏色表示為應(yīng)力值大小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)空間方向上只有1、2行或1、2列時(shí)，選用路徑對(duì)比曲線來(lái)繪制對(duì)比圖，其中，x軸為路徑相對(duì)距離，y軸為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變或位移。在對(duì)比某一特征點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，選用加載級(jí)別或載荷作為x軸，y軸為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變或位移；

步驟七：有限元模型修正

將步驟一中的有限元結(jié)果與步驟三中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行步驟五中的MAC值對(duì)比，再通過(guò)步驟六中所繪制的對(duì)比圖進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比圖變化形式來(lái)修正有限元模型，從而使MAC值接近1，使計(jì)算結(jié)果接近試驗(yàn)結(jié)果。