[发明专利]一种基于多试验状态数据的模型修正系统

摘要

本发明涉及一种基于多试验状态数据的模型修正系统，适用于结构设计过程中综合多个状态力学特性试验数据对产品结构参数的虚实结合对比验证和虚拟试验模型修正，属于虚拟试验技术领域。本发明实现了虚拟试验模型修正参数利用不同试验状态的虚拟试验模型和虚拟试验结果以及实物试验模型和实物试验结果的同时修正，解决了单试验状态下响应参数不足以得出修正参数唯一解的问题。

主权项

一种基于多试验状态数据的模型修正系统，其特征在于：该系统包括多状态实物试验数据导入模块、多状态虚拟试验数据导入模块、核心数据结构模块、虚实试验模型匹配模块、试验结果相关性分析模块、灵敏度分析模块、多状态模型修正模块、虚拟模型更新求解模块、三维图形显示模块和矩阵柱状图显示模块；所述的多状态实物试验数据导入模块接收不同状态下的实物试验测试设备输出的实物试验数据，实物试验数据包括实物试验模型、实物试验属性和实物试验结果，并对实物试验数据按照状态进行编号，然后对实物试验数据进行解析，即将实物试验模型和实物试验结果转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；实物试验模型包括节点、单元和坐标系；实物试验属性包括材料、单元特性和载荷；实物试验结果包括结果信息和结果数据，结果信息包括试验结果类型、结果数据类型和结果数据数量，结果数据为结果数值；所述的多状态虚拟试验数据导入模块接收不同状态下Nastran求解器输出的扩展名为op2的二进制文件的虚拟试验数据，虚拟试验数据包括虚拟试验模型、虚拟试验属性和虚拟试验结果，并对虚拟试验数据按照状态进行编号，然后对虚拟试验数据进行解析，即将虚拟试验模型和虚拟试验结果转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存；虚拟试验模型包括节点、单元和坐标系；虚拟试验属性包括材料、单元特性和载荷；虚拟试验结果包括结果信息和结果数据，结果信息包括试验结果类型、结果数据类型和结果数据数量，结果数据为结果数值；根据数据块中子数据块头的字符或者整数的含义对子数据块进行解析，直到解析出最底层数据块，通过所有最底层数据块可以完整得到虚拟试验模型以及基于该模型的虚拟试验结果；最底层数据块为不包括子数据块的数据块；多状态虚拟试验数据导入模块采取直接打开文件的方式，顺序读取文件中的数据块，通过关键字比对，查询关键字的意义，按照相关含义导入数据；通过系统内部采用的统一数据结构，将虚拟试验模型相关的单元、节点以及基于该虚拟试验模型的虚拟试验结果导入到核心数据结构中；所述的核心数据结构模块包括状态数据模块、模型数据模块、属性数据模块和结果数据模块，用于管理虚拟试验与实物试验的状态、模型、属性和结果，通过适合于多状态虚拟试验及实物试验模型和结果的数据结构，在系统中便于存储和访问；状态数据模块记录实物试验数据和虚拟试验数据对应的状态编号；模型数据模块存储实物试验模型和虚拟试验模型；属性数据模块存储实物试验属性和虚拟试验属性；结果数据模块存储实物试验结果和虚拟试验结果；核心数据结构模块的数据存储方式：实物试验数据和虚拟试验数据按照其所属类别，存储于相应的数据结构空间中，核心数据结构中状态数据模块中记录的状态编号、模型数据模块中存储的实物试验模型和虚拟试验模型、属性数据模块中存储的实物试验属性和虚拟试验属性以及结果数据模块中存储的实物试验结果信息和虚拟试验结果信息保存在内存中，结果数据模块中存储的实物试验结果数据和虚拟试验结果数据保存在文件中，只在需要的时候进行访问，并加载至内存中，在进行显示或者计算处理情况时调用；所述的虚实试验匹配模块，包括试验状态匹配模块、模型匹配模块和节点匹配模块；试验状态匹配模块是指根据核心数据结构模块的状态编号，将同一状态下的虚拟试验模型与实物试验模型进行匹配，同一状态下的虚拟试验结果与实物试验结果进行匹配；模型匹配模块是指通过旋转、平移坐标变换改变核心数据结构模块中的实物试验模型，使实物试验模型的坐标系与虚拟试验模型的坐标系重合，即虚拟试验模型与实物试验模型位置一致；节点匹配模块是首先在经过模型匹配模块匹配后的虚拟试验模型和实物试验模型的基础上，调用核心数据结构模块的实物试验模型的节点和虚拟试验模型的节点，计算实物试验模型的节点和虚拟试验模型的节点之间的距离并寻找与实物试验模型节点位置距离最近的虚拟试验模型节点与之匹配，在此基础上提取匹配的虚拟试验模型节点并进行缩聚，形成虚拟试验模型的缩聚模型；其中缩聚是指将位移矢量分为主坐标和副坐标两部分，主坐标为虚拟试验模型匹配节点对应的位移，副坐标为虚拟试验模型其余节点对应的位移，通过忽略副坐标上惯性力以及缩减前后系统动能、势能不变的原则对虚拟试验模型质量和刚度矩阵进行缩聚；所述的试验结果相关性分析模块依据模态置信准则或位移置信准则，调用虚拟试验结果和实物试验结果计算虚拟试验结果与实物试验结果之间的相关性，分为模态相关性分析模块和位移相关性分析模块；模态相关性分析模块是根据模态置信准则即MAC，对虚拟模态结果数据和实物模态结果数据进行处理，得到其MAC矩阵；核心数据结构模块将收到的数据发送给模态相关性分析模块，模态相关性分析模块计算出虚拟模态结果数据和实物模态结果数据之间各阶模态振型的相关性，并将得到的相关性数据发送给矩阵柱状图显示模块；其计算方式如下：第i阶实物模态振型列向量与第j阶虚拟模态振型列向量的相关性数值MAC_ij按照下式计算：${\mathrm{MAC}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}^2}{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\left\}\right)\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}$    公式1其中，为列向量形式的实物模态结果数据中的实物模态振型，上角标e表示实物试验，下角标i表示实物试验结果模态阶数，为列向量形式的缩聚模型对应的虚拟模态结果数据中的虚拟模态振型，上角标a表示虚拟试验，下角标j表示虚拟试验结果模态阶数，其中，缩聚模型由虚实试验匹配模块得到，其对应的虚拟模态结果数据通过核心数据结构模块调用，上角标T表示转置；MAC值介于0和1之间，作为评估虚实模态试验结果符合程度的标准；通过上面公式计算出虚拟模态结果数据和实物模态结果数据之间各阶模态振型的相关性数据；其中，i遍历实物模态试验结果全部模态阶数，j遍历虚拟模态试验结果全部模态阶数；MAC值介于0和1之间，作为评估虚拟模态试验结果与实物模态试验结果符合程度的标准；位移相关性分析是根据位移置信准则即DAC，计算缩聚模型对应的虚拟位移结果数据和实物位移结果数据之间的相关度，得到其DAC值并将得到的相关性数据发送给矩形柱状图显示模块；其中，缩聚模型由虚实试验匹配模块得到，其对应的虚拟位移结果数据通过核心数据结构模块调用；DAC计算公式如下：$\mathrm{DAC}=\frac{{\left({\left\{U^e\right\}}^T\right\{U^a\left\}\right)}^2}{\left({\left\{U^e\right\}}^T\right\{U^e\left\}\right)\left({\left\{U^a\right\}}^T\right\{U^a\left\}\right)}$    公式2其中，{U^e}为列向量形式的实物试验位移结果数据，{U^a}为列向量形式的缩聚模型对应的虚拟试验位移结果数据；DAC值介于0和1之间，作为评估虚拟位移试验结果与实物位移试验结果符合程度的标准；所述的灵敏度分析模块，首先设置每个试验状态下的虚拟试验模型修正参数和虚拟试验结果响应参数，并给定虚拟试验模型修正参数一定的变化量，分别计算各试验状态下虚拟试验结果响应参数对虚拟试验模型修正参数的灵敏度，得到各试验状态下的灵敏度矩阵，再合成总灵敏度矩阵，供多状态模型修正模块和矩阵柱状图显示模块调用；其中，各试验状态的虚拟试验模型修正参数相同；所述的多状态模型修正模块根据灵敏度分析模块设置的响应参数，调用核心数据结构模块的数据，分别计算各状态下的实物试验结果响应参数与虚拟试验结果响应参数差值列向量，并将各状态下的响应参数差值排成列向量，合成总响应参数差值向量，根据收敛准则判断修正是否结束，满足收敛判断准则修正结束；不满足收敛判断准则计算增益矩阵，利用增益矩阵估计虚拟模型修正参数的修正量，更新修正参数，并把更新后的修正参数输出到虚拟试验模型更新求解模块，更新虚拟试验模型、得到更新的虚拟试验结果，更新的虚拟试验模型与虚拟试验结果顺序通过上述多状态虚拟试验数据导入模块、核心数据结构模块、虚实试验匹配模块、试验结果相关性分析模块、灵敏度分析模块的分析处理后再次进入多状态模型修正模块进行模型修正，反复迭代上述过程，直到满足收敛判断准则；所述的虚拟试验模型更新求解模块根据更新后的修正参数生成新的各状态下的虚拟试验模型文件并驱动有限元求解器Nastran进行求解，该模块调用核心数据结构模块各状态下的虚拟试验模型，接收多状态模型修正模块发来的虚拟试验模型修正参数，生成Nastran标准的输入文件(.bdf)，即虚拟试验模型文件，用Nastran进行有限元分析求解即虚拟试验，得到各状态下的虚拟试验结果文件(.op2)；最后调用多状态虚拟试验数据导入模块把虚拟试验模型和虚拟试验结果导入到核心数据结构模块中；所述的三维图形显示模块用于显示虚拟试验模型和虚拟试验结果以及实物试验模型和实物试验结果；核心数据结构模块将接收到的数据发送给三维图形显示模块，三维图形显示模块将虚拟试验模型以及基于该虚拟试验模型的虚拟试验结果还原成可视化三维图形并且显示出来，同时三维图形显示模块也将实物试验模型的节点和基于所述节点的实物试验结果也还原成可视化三维图形并且显示出来；三维图形显示模块所包含的虚拟试验结果或者实物试验结果，是指模态试验结果和位移试验结果；三维图形显示模块云图显示功能，是指读取虚拟试验结果或者实物试验结果到内存中，根据模型外表面每个三角形上节点的具体结果数值大小，确定结果数值在颜色列表中所落入的颜色范围；每个外表面三角形节点用节点对应的颜色值、三角形内根据节点颜色值进行线性插值，绘制结果云图，再进行颜色渲染得到结果云图；三维图形显示模块的变形图显示功能，是指对于位移结果，由于虚拟试验位移结果变形微小，肉眼无法分辨出实际的模型变形，因此将模型结果乘以一个确定的放大倍数，各个节点按照位移结果移动相应位置，即显示出模型的变形图；所述的矩阵柱状图显示模块，将二维矩阵按照三维矩阵柱状图形式绘制并显示出来，二维矩阵包括试验结果相关性分析模块得到的各状态下的MAC矩阵、灵敏度分析模块得到的各状态下的灵敏度矩阵及总灵敏度矩阵；三维矩阵柱状图的横、纵和竖向坐标分别为二维矩阵的行数、列数和矩阵各元素数值；二维矩阵的每个元素数值由一个带有颜色的柱状体表示，柱状体的位置表示其代表元素的行数和列数，柱状体的高度和颜色均表示其代表数值的大小，柱状体的长度和宽度分别为横、纵坐标的间距；依次存储柱状体的位置、尺寸、线条颜色、线条粗细和线形信息，然后类绘制柱状体；根据元素数值的范围确定其在颜色列表中所落入的颜色范围，每个柱状体的颜色根据其对应的元素数值从颜色列表中插值取得，并绘制显示到屏幕上。