一種有限元模型優(yōu)化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明實(shí)施例設(shè)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種有限元模型優(yōu)化裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] -般大型結(jié)構(gòu)在激勵(lì)作用下受到的嚴(yán)重振動(dòng)及其造成的破壞，本質(zhì)而言都是由于 模態(tài)參數(shù)不合理造成的。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可W通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)(實(shí)物試驗(yàn))和有限元分析(虛擬 試驗(yàn))兩種途徑實(shí)現(xiàn)。模態(tài)試驗(yàn)是航天器，例如飛機(jī)，重要的大型地面試驗(yàn)之一，其目的是獲 取固有頻率、阻尼比、陣型和陣型斜率等模態(tài)參數(shù)供自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用。
[0003] 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，存在諸多動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 的分析，又如翼面或整機(jī)的顫振分析等，都需要有真實(shí)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分析，才能使動(dòng)力 學(xué)仿真分析的結(jié)果更加可靠和真實(shí)。在仿真過(guò)程中，而有限元分析又存在模型建立過(guò)程中 的材料屬性、約束條件和模型維數(shù)縮減等誤差，使得有限元結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析有失真情況。為 了補(bǔ)充和修正有限元建?？赡艽嬖诘钠?，通常采用模態(tài)置信度準(zhǔn)則(MAC)方法來(lái)解決。
[0004] 然而，MAC方法雖然保證了某些模態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)得的振形一致，但無(wú)法確保模態(tài) 階次的一致，例如，模態(tài)顛倒、丟失或增添的情況，那么得到一個(gè)較真實(shí)的有限元分析模型， 就為進(jìn)一步的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分析提供可靠的分析模型，為復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的縮聚提供真 實(shí)的模態(tài)疊加矩陣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種有限元模型優(yōu)化方法及裝置，W解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算分 析中有限元建模的失真問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種有限元模型優(yōu)化方法，包括：
[0007] 通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率W及各階模態(tài)在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形 振幅；
[0008] 建立結(jié)構(gòu)有限元模型，在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)位置建立相應(yīng)的有限元節(jié)點(diǎn)；
[0009] 計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)的頻率及各階模態(tài)在有限元節(jié)點(diǎn)的振形振幅；
[0010] 建立試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅與相應(yīng)的有限元節(jié)點(diǎn)的振形振幅的差值形成一階、二 階或高階誤差;及
[0011] 將上述各階誤差最小化W優(yōu)化有限元模型，并使得模態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)得的階次、 頻率和振形一致。
[0012] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種有限元模型優(yōu)化裝置，包括：
[0013] 試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)獲取模塊，用于通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率W及各 階模態(tài)在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅；
[0014] 有限元模型處理模塊，用于建立結(jié)構(gòu)有限元模型，在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)位置建立相應(yīng)的 有限元節(jié)點(diǎn)；
[0015] 所述有限元模型處理模塊，還用于計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)的頻率及各階模態(tài)在有限元節(jié)點(diǎn) 的振形振幅；
[0016] 誤差建立模塊，用于建立試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅與相應(yīng)的有限元節(jié)點(diǎn)的振形振幅 的差值形成一階、二階或高階誤差;及
[0017] 優(yōu)化模塊，用于將上述各階誤差最小化W優(yōu)化有限元模型，并使得模態(tài)計(jì)算與試 驗(yàn)測(cè)得的階次、頻率和振形一致。
[0018] 本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲取結(jié)構(gòu)的一組固有頻率W及相應(yīng)各階模 態(tài)在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅;建立結(jié)構(gòu)有限元模型，在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)位置建立有限元檢測(cè)節(jié) 點(diǎn)，并計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)的頻率及各階模態(tài)在有限元檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的振形振幅;建立試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的 振形振幅與有限元檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的振形振幅的差值形成一階、二階或高階誤差;最后將上述各 階誤差最小化W優(yōu)化有限元模型。解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算分析中有限元建模的失真問(wèn)題， 提供較真實(shí)的有限元模型，為進(jìn)一步的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分析提供可靠的分析模型。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種有限元模型優(yōu)化方法的流程示意圖；
[0020] 圖2和圖3分別是本發(fā)明實(shí)施例一提供的擬合試驗(yàn)測(cè)得的一階振形面與優(yōu)化后有 限元計(jì)算得到的一階振形面示意圖；
[0021] 圖4和圖5分別是本發(fā)明實(shí)施例一提供的擬合試驗(yàn)測(cè)得的二階振形面與優(yōu)化后有 限元計(jì)算得到的二階振形面示意圖；及
[0022] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種有限元模型優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖并通過(guò)【具體實(shí)施方式】來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。可W理解的 是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明 的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0024] 在更加詳細(xì)地討論示例性實(shí)施例之前應(yīng)當(dāng)提到的是，一些示例性實(shí)施例被描述成 作為流程圖描繪的處理或方法。雖然流程圖將各項(xiàng)步驟描述成順序的處理，但是其中的許 多步驟可W被并行地、并發(fā)地或者同時(shí)實(shí)施。此外，各項(xiàng)步驟的順序可W被重新安排。當(dāng)其 步驟完成時(shí)所述處理可W被終止，但是還可W具有未包括在附圖中的附加步驟。所述處理 可W對(duì)應(yīng)于方法、函數(shù)、規(guī)程、子例程、子程序等等。
[0025] 為更清楚的理解本實(shí)施例所采用的技術(shù)方案，現(xiàn)針對(duì)W下術(shù)語(yǔ)作相關(guān)解釋?zhuān)?br>[0026] 模態(tài):機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài) 振型等模態(tài)參數(shù)。線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解禪合為N個(gè)正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng) 系統(tǒng)的N個(gè)模態(tài)。
[0027] 有限元:在數(shù)學(xué)中，有限元法(Finite Element Method)是一種為求解偏微分方程 邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的 部分，運(yùn)種簡(jiǎn)單部分就稱(chēng)作有限元。
[0028] 計(jì)算模態(tài)分析:模態(tài)分析的過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法完成。
[0029] 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析:通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別來(lái)獲得模態(tài) 參數(shù)。
[0030] 實(shí)施例一
[0031] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種有限元模型優(yōu)化方法，該方法可W由有限元模 型優(yōu)化裝置執(zhí)行，其中該優(yōu)化裝置可由軟件和/或硬件實(shí)現(xiàn)，一般可集成在計(jì)算機(jī)中。
[0032] 參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的有限元模型優(yōu)化方法包括如下步驟:步驟S110、通過(guò)試驗(yàn)?zāi)?態(tài)分析方法獲取結(jié)構(gòu)的一組固有頻率W及相應(yīng)各階模態(tài)在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅。
[0033] 具體的，在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過(guò)程中采用激勵(lì)方法來(lái)采集模態(tài)參數(shù)，所述模態(tài)參數(shù)有： 結(jié)構(gòu)的固有頻率、各階模態(tài)在試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的振形振幅、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)向量、模態(tài)剛度和模 態(tài)阻尼等。在本實(shí)施例中，所述試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法是指采用地面共振試驗(yàn)的激勵(lì)方法對(duì)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，所述地面共振試驗(yàn)是一種利用共振原理在地面測(cè)定飛機(jī)結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特 性的試驗(yàn)方法。
[0034] 所述試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法大致分為W下幾個(gè)過(guò)程：
[0035] (1)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)分析。
[0036] 1)激勵(lì)方法，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是人為地對(duì)結(jié)構(gòu)物施加一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振 動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵(lì)方 法不同，相應(yīng)識(shí)別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出（SIS0)、單輸入多輸出（SIM0)多輸 入多輸出(ΜΙΜΟ)Ξ種方法。W輸入力的信號(hào)特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩(wěn)態(tài)隨 機(jī)(包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機(jī)）、瞬態(tài)激勵(lì)(包括隨機(jī)脈沖激勵(lì))等。
[0037] 2)數(shù)據(jù)采集，SIS0方法要求同時(shí)高速采集輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，用不斷移動(dòng) 激勵(lì)點(diǎn)位置或響應(yīng)點(diǎn)位置的辦法取得振形數(shù)據(jù)。SIM0及ΜΙΜΟ的方法則要求大量通道數(shù)據(jù)的 高速并行采集，因此要求大量的振動(dòng)測(cè)量傳感器或激振器，試驗(yàn)成本較高。
[0038] 3)時(shí)域或頻域信號(hào)處理，例