一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法技术

本发明专利技术公开一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，具体步骤为：1）建立结构的有限元模型及分析；2）试验设计及分析；3）提取有限元仿真应变模态；4）相关性分析：采用模态置信因子，分析有限元模型与试验测试的应变模态振型的相关性；5）选取待修正模态；6）选取待识别参数；7）构建修正目标；8）修正迭代；本发明专利技术通过选择合适的单元类型，获得的结构有限元模型为应变响应计算提供了基准模型；通过选择合适的待修正应变模态、待修正参数及优化设计方法，修正后的有限元模型更能反映结构的应变响应；准确的有限元模型有利于后续基于有限元模型的结构动力学优化设计，结构健康监测或结构响应预示等工作的开展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于系统参数识别领域，特别是一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法。
技术介绍
随着有限元理论的发展及计算机应用水平的提高，建模和仿真分析的方法已经在结构动力学优化设计，结构健康监测等领域得到广泛的应用。基于模型的结构优化或健康监测均是需要准确有限元模型为前提的，因此在使用有限元模型进行响应计算前对其进行校准时十分必要的。有限元模型修正以试验测试的响应量作为目标，对有限元模型中的参数进行调整，使有限元计算的响应与试验测试接近，从而达到缩小仿真分析和试验测试之间的差距，是实现有限元模型校准的主要手段之一。目前，模型修正方法中的修正目标响应量主要包括频率、位移振型、加速度、位移、速度等动态响应。这些响应大多为结构响应全局特征量，基于这些响应修正所得的模型具有反映结构全局振动特性的能力，但是对于结构局部特征的描述不够全面和准确。应变作为一种能够反映结构局部特征的响应，具有方便测量等优点。近年来，应变响应被一些学者研究，并用于上述的各个领域中。在模型修正中，使用较多的是基于应变的相对误差构造目标函数，但是对于模态较为密集的情况或是参数改变会引起模态次序改变的情况，该类方法需要判断仿真分析的应变模态和试验测试的应变模态的对应关系。鉴于上述的缺陷和技术难点，提出用应变模态振型相关性作为目标响应进行修正的方法应运而生。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，公开了一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，能够提高有限元建模的精度，并为后续基于模型的应变响应计算、结构动力学优化设计、结构健康监测等以应变为特征的工作提供一个合理、可靠的有限元模型。本专利技术公开了一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，具体步骤如下：1)建立结构的有限元模型及分析：在有限元软件中，采用合适的单元对结构进行建模，并基于有限元求解器计算结构中的应变模态；模型首先要合适，如对薄壁结构采用板单元，实体结构采用六面体单元。此外，对于网格尺度较大的模型，需要对试验测试位置的周围的网格要进行局部加密细化处理；2)试验设计及分析：根据有限元计算结果选取结构上响应敏感的位置和方向，贴应变片并采用信号采集仪器记录测点处的应变，进而识别结构的应变振型；所选的应变测点的数量要使得试验测试的结果能够完备描述结构的应变模态振型信息；3)提取有限元仿真应变模态：基于matlab平台，编写有限元计算结果的读写程序，读出模态频率及应变模态振型，并按照列模式存储为应变模态矩阵；4)相关性分析：采用模态置信因子，即ModalAssuranceCriterion(MAC)，分析有限元模型与试验测试的应变模态振型的相关性，具体针对于有限元计算的应变振型与试验测得的应变振型的相关性分析，计算公式如下：式中，分别为试验测得的第i阶应变模态振型以及有限元计算的第j阶应变模态振型，均是列向量；有限元模型的应变振型需要基于matlab平台编写的读写接口读取并存储。所计算的MAC矩阵对角线元素越接近于1，且非对角线元素越接近于0，表示两者之间的相关性越好；5)选取待修正模态：根据相关性分析结果，选取MAC值大于0.7的应变模态作为待识别模态；对于MAC值还可以根据设计要求而定；6)选取待识别参数：预选模型中的结构参数、材料参数等可变参数，计算待修正模态对预选参数的灵敏度；根据灵敏度分析结果设定参数选取的灵敏度阀值，选取灵敏度值大于阀值的参数作为待修正参数；7)构建修正目标：以试验模态为基准，构造一个反映仿真模型与试验模型差别的函数作为修正的目标函数，具体指有限元计算和试验测试的应变振型相关性的函数；8)修正迭代：采用优化方法，对目标函数进行求最小值。当搜索过程达到收敛时，对应于目标函数最小值的模型参数即认为是结构模型的真实参数，即此时的模型能够反映结构真实情况的模型。如果不满足收敛要求，则重新设定优化过程的控制参数，并进行新一次的修正迭代。进一步，所述的步骤1)中的结构包括薄壁结构以及实体结构，对于薄壁结构采用二维板单元划分网格、实体结构采用三维实体单元划分网格。在对结构进行有限元网格划分时，要根据结构的具体类型确定网格的类型及疏密程度。此外，对于网格尺度较大的模型，在对应试验测试位置的周围的网格要进行局部加密处理，即该区域的网格大小应与测试传感器尺寸近似或更小。进一步，所述的步骤2)中所述的应变测点数量应控制在15～30个为宜，这样既能测试出结构完备的应变模态振型，又能够节约试验的人力和物力成本；应变测点数量首先应该满足能测试出结构完整应变模态的要求，各测点传感器的分布方向应根据对测试结果的需求而定。进一步，所述的步骤6)中的可参数包括可变结构形状参数、位置参数、材料参数、连接单元属性。进一步，所述的步骤8)中的优化方法是指具有全局搜索能力的方法；如粒子群优化方法，遗传算法等。本专利技术相对于现有技术的有益效果在于：(1)通过选择合适的单元类型，获得的结构有限元模型为应变响应计算提供了基准模型；(2)通过选择合适的待修正应变模态、待修正参数及优化设计方法，修正后的有限元模型更能反映结构的应变响应；(3)准确的有限元模型有利于后续基于有限元模型的结构动力学优化设计，结构健康监测或结构响应预示等工作的开展。附图说明图1是本专利技术一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法的有限元模型修正流程图；图2是本专利技术一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法的结构有限元模型；图3是本专利技术一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法的试验测点及测试方向；图4是本专利技术一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法的修正后有限元模型与试验模型的应变MAC匹配图。具体实施方式本专利技术提供一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本专利技术进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，具体步骤如下：1)建立结构的有限元模型及分析：在有限元软件中，采用合适的单元对结构进行建模，并基于有限元求解器计算结构中的应变模态；模型首先要合适，如对薄壁结构采用板单元，实体结构采用六面体单元。此外，对于网格尺度较大的模型，在对应试验测试位置的周围的网格要进行局部加密处理，即该区域的网格大小应与测试传感器尺寸近似或更小；2)试验设计及分析：根据有限元计算结果选取结构上响应敏感的位置和方向，贴应变片并采用信号采集仪器记录测点处的应变，进而识别结构的应变振型；所选的应变测点数量要合适，即在能完备描述被测物体结构的应变振型的情况下，尽可能少的安排应变片的数量；3)提取有限元仿真应变模态：基于matlab平台，编写有限元计算结果的读写程序，读出模态频率及应变模态振型，并按照列模式存储为应变模态矩阵；有限元模型的应变振型需要基于matlab平台编写的读写接口读取并存储。4)相关性分析：采用模态置信因子，即ModalAssuranceCriterion(MAC)，分析有限元模型与试验测试的应变模态振型的相关性，具体针对于有限元计算的应变振型与试验测得的应变振型的相关性分析，计算公式如下：式中，分别为试验测得的第i阶应变模态振型以及有限元计算的第j阶应变模态振型，均是列向量；所计算的MA本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，其特征在于，具体步骤如下：1)建立结构的有限元模型及分析：在有限元软件中，采用合适的单元对结构进行建模，并基于有限元求解器计算结构中的应变模态；2)试验设计及分析：根据有限元计算结果选取结构上响应敏感的位置和方向，贴应变片并采用信号采集仪器记录测点处的应变，进而识别结构的应变振型；3)提取有限元仿真应变模态：基于matlab平台，编写有限元计算结果的读写程序，读出模态频率及应变模态振型，并按照列模式存储为应变模态矩阵；4)相关性分析：采用模态置信因子，即Modal Assurance Criterion(MAC)，分析有限元模型与试验测试的应变模态振型的相关性，具体针对于有限元计算的应变振型与试验测得的应变振型的相关性分析，计算公式如下：MACij=({φie}T{φja})2{φie}T{φie}{φja}T{φja}---(1)]]>式中，分别为试验测得的第i阶应变模态振型以及有限元计算的第j阶应变模态振型，均是列向量；5)选取待修正模态：根据相关性分析结果，选取大于0.7的MAC值所对应的应变模态作为待修正模态；6)选取待识别参数：预选模型中的可变参数，并计算待修正模态对预选参数的灵敏度。根据灵敏度分析结果设定参数选取的灵敏度阀值，选取灵敏度值大于阀值的参数作为待修正参数；7)构建修正目标：以试验应变模态为基准，构造一个反映仿真模型与试验模型差别的函数作为修正的目标函数，具体指有限元计算和试验测试的应变振型相关性的函数；8)修正迭代：采用优化方法，对目标函数进行求最小值；当搜索过程达到收敛时，对应于目标函数最小值的模型参数即认为是结构模型的真实参数，即此时的模型能够反映结构真实情况的模型；如果不满足收敛要求，则重新设定优化过程的控制参数，并进行新一次的修正迭代。...

【技术特征摘要】
1.一种基于应变模态振型相关性的模型修正方法，其特征在于，具体步骤如下：1)建立结构的有限元模型及分析：在有限元软件中，采用合适的单元对结构进行建模，并基于有限元求解器计算结构中的应变模态；2)试验设计及分析：根据有限元计算结果选取结构上响应敏感的位置和方向，贴应变片并采用信号采集仪器记录测点处的应变，进而识别结构的应变振型；3)提取有限元仿真应变模态：基...

【专利技术属性】
技术研发人员：展铭，郭勤涛，岳林，黄宏波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32