基于K‑S包络函数的在役载荷反向求解方法技术

本发明专利技术公开的一种基于K‑S包络函数的在役载荷反向求解方法，通过采用K‑S函数将离散的应变信息拟合成一个以应变片位置为变量的可微函数，进而基于该可微函数将最优应变片位置的选择转换成一个可靠的优化模型进行求解，同时将解耦矩阵C的求解也转换为一个确定优化模型，避免现有技术中矩阵求逆可能带来的计算误差，本发明专利技术相对于现有技术给出的初始应变片位置是最佳位置，可由大幅度提高反求载荷的置信度，而且相对于现有技术，本发明专利技术的算法可以为产品的设计载荷提供有效的验证和修正支持，为产品结构的优化设计提供必要的载荷条件同时，也可以为诸如在役的焊接结构疲劳损失等远程评估提供载荷条件。

Based on the existing load reverse solution method in K S envelope function

The invention discloses a method based on K S envelope function in service load reverse solving method, by using the K S function discrete strain information in a quasi synthetic strain gauge position variables of differentiable function and differentiable function based on the optimal position of the strain gauge is converted into a the reliability optimization model is solved, at the same time to solve the decoupling matrix C is converted to a deterministic optimization model, avoid matrix inversion in the existing technology may bring the calculation error, compared with the initial strain position of existing technology is given the best position, but confidence reverse load increased from substantially. But compared with the prior art, the invention of the algorithm can provide effective support for the verification and correction of design load of products, to provide the necessary conditions and load in order to optimize the design of product structure, can also be Such as the fatigue damage of welded structures in service such as the remote evaluation of the load conditions.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在役载荷的求解方法，尤其涉及一种基于K-S包络函数的反向求解方法。涉及专利分类号G06计算；推算；计数G06F电数字数据处理G06F17/00特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法。
技术介绍
如果将产品作为一个结构系统，载荷就是系统的输入，如果系统的输入出了偏差，输出的响应必然出现偏差，因此产品开发时，可靠的载荷对产品的可靠性是特别的重要。包括高速动车组在内的承受动态载荷的载运工具产品结构设计载荷来至于相关标准或运用经验，但是产品在役以后结构内部真正承受的载荷与设计载荷经常是不一致的，随着产品结构内部复杂程度与在役环境复杂程度的提升，这种设计载荷与在役载荷不一致的程度也随之提升。一般情况下，如果设计载荷水平高于在役载荷，产品将增加制造成本；如果设计载荷水平低于在役载荷，产品结构在役过程中可靠性风险将增大。特别是承受动态载荷的载运工具产品中焊接结构扮演了极为重要的承载角色，它的抗疲劳能力直接影响产品的可靠性，由于疲劳寿命与载荷之间存在高度非线性关系，因此设计载荷的偏差将导致设计结果的更大偏差。因此用什么样的技术能可靠地获得在役载荷，是国内外的设计人员乃至力学研究人员一直高度关注的一个技术和科学问题。针对在役载荷获取问题，国内外主要采用设计与布置专用的测力传感器。这种直接测力的方法局限性很大，以高速动车组转向架为例，在役过程中将承受19种幅值不同、波形不同的动态载荷，它们分别通过空气弹簧、各个方向的减振器、轮对、齿轮箱、牵引销、电机吊架等接口将载荷同时作用上去。在这些结构接口上布置测力传感器，要么不可能，要么不允许的。鉴于此，为了绕过直接测力的方法获得在役载荷，现有技术又提出了一种直接测试动态应变然后设法将应变转化为在役载荷的过渡方法。这种方法给出的技术特征是：第一：在需要研究的结构上布置一组应变片位置坐标集合第二：创建结构的有限元模型以求解解耦矩阵第三：建立应变与外载荷的关联方程：εC＝F (1)对于线性系统，始终的ε为实测应变矩阵，C是基于有限元计算得到的解耦矩阵，F为外载荷矩阵。第四：基于单位载荷法求解解耦矩阵C；为了求解耦矩阵，假设外载荷为单位载荷，接着求解有限元模型，获得应变结果再其回代到方程(2)，就可以求出如(3)所示的C矩阵：εC＝F (2)C＝(εTε)-1εT (3)第五：基于D-Optimal优化准则求解优化问题得到应变片贴片位置合理坐标的集合从初始应变片坐标的集合中若干保留应变片贴片位置合理坐标的集合，其保留准则是使下式矩阵对应的行列式数值最大化：|εTε|→max (4)这个优化过程其实从最初的应变片贴片位置坐标的集合中剔除一些样本点，保留一些样本点。第六：求出在役载荷基于已经获得的且被改善了的C矩阵，以及根据优化结果布置应变片并实测得到的应变矩阵一起带进公式(1)即可得到在役载荷。尽管现有技术给出的上述技术特征是清晰的，但是执行起来将会遇到以下问题：1)应变片贴片初始位置坐标集合的选择问题在这个问题上，现有技术的技术是基于经验的，没有理论根据是基于经验的，没有理论根据是基于经验的，没有理论根据是基于经验的，没有理论根据，而一旦初，而一旦初始应变数据对外载荷不敏感，反求的误差将难以控制结构越复杂这个问题越突出，例如前面已经提到的高速动车组转向架上焊接构上面作用有大小的载荷19种，针对如此复杂的载荷，可能会提出许许多多个应变片贴片布置方案，但是哪个方案最好呢？如果凭借经验，这个问题很难回答。2)合理应变片位置的保留问题现有技术采用D-Optimal(行列式值最大化行列式值最大化)算法的本质是从已经布置的、离散的应变片贴片样本点数据中剔除出某些应变片使行列式值逐渐增大，这在数学上只是一种优化准则，却没有明确的物理背景，因为没有明确的物理背景，因为问题越复杂，越难保证初选的应变片贴片位置坐标的集合中一定含有最合理的坐标。3)求解C矩阵的数值病态问题如公式(3)所示，C矩阵求解时，有逆运算当C矩阵存在病态时，计算误差将很大。而1)与2)中提到的问题不能得很好解决时这个问题就越突出。4)一组解的困扰问题现有技术采用D-Optimal(行列式值最大化行列式值最大化)算法的贴片位置最终解是一组，代入式(1)也就是一组载荷，不在役的唯一解，然后在这组解中确定出答案，将成为最后的困扰。综上所述，现有技术在多年前就已经提出了的上述技术，其特征虽然清晰，但是受困于自身算法的局限性，它们的研究成果只是对简单工程问题有效。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题的提出，而研制的一种基于K-S包络函数的在役载荷反向求解方法，具有如下步骤：—建立目标物体的有限元模型，计算得出每个单位载荷模式下拟贴片位置的应变分量对于所述拟贴片位置的空间坐标x，y，z的近似显函数ε(x，y，z)；—确定有限元模型中3个节点所形成三角形区域的局部基函数，进而通过K-S函数包络形成所述区域的统一的包络函数；通过组装所述各局部区域的包络函数形成应变矩阵εT；—按tr(εTε)→max和|εTε|→max准则建立应变贴片合理位置的优化模型，进而通过数值寻优迭代的方法求出应变贴片最合理的位置；—通过线性规则LP求出得到解耦矩阵C，通过如下公式求得在役载荷F；εTC＝F (2)公式(2)为公式(1)的简记形式；公式(2)中ε为设定的拟贴片处的应变矩阵，该矩阵可以测量得到也可以计算得出，公式(1)中m为载荷模式数，n为应变分量数。作为优选的实施方式，所述通过K-S函数包络形成局部区域统一的包络函数为： K S ( ρ , x , y , z ) = 1 ρ ln Σ i = 1 6 e ρϵ i ( x , y , z ) - - - ( 6 ) ]]>其中，ρ＞0，εi(x,y,z)(i＝1,……,6)第i号区域按下式|εTε|→max (4)求出的近似函数。3、根据权利要求2所述的基于K-S包络函数的在役载荷反向求解方法，其特征还在于形成区域的统一的包络函数具体包括如下步骤：—选择拟贴应变片位置的坐标作为样本点，它们在结构表面组成了K个相邻的三角形；—在载荷模式下，Fi＝1(i＝1,……,m)的条件下，进行有限元计算，结合所述的样本点，提取出K+1个节点中每个节点的应变分量； ϵ i = [ &eps本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于K‑S包络函数的在役载荷反向求解方法，其特征在于具有如下步骤：—建立目标物体的有限元模型，计算得出每个单位载荷模式下拟贴片位置的应变分量对于所述拟贴片位置的空间坐标x，y，z的近似显函数ε(x，y，z)；—确定有限元模型中3个节点所形成三角形区域的局部基函数，进而通过K‑S函数包络形成所述区域的统一的包络函数；通过组装所述各局部区域的包络函数形成应变矩阵εT；—按tr(εTε)→max和|εTε|→max准则建立应变贴片合理位置的优化模型，进而通过数值寻优迭代的方法求出应变贴片最合理的位置；—通过线性规则LP求出得到解耦矩阵C，通过如下公式求得在役载荷F； εTC＝F   (2)公式(2)为公式(1)的简记形式；公式(2)中ε为设定的拟贴片处的应变矩阵，该矩阵可以测量得到也可以计算得出，公式(1)中m为载荷模式数，n为应变分量数。

【技术特征摘要】
1.一种基于K-S包络函数的在役载荷反向求解方法，其特征在于具有如下步骤：—建立目标物体的有限元模型，计算得出每个单位载荷模式下拟贴片位置的应变分量对于所述拟贴片位置的空间坐标x，y，z的近似显函数ε(x，y，z)；—确定有限元模型中3个节点所形成三角形区域的局部基函数，进而通过K-S函数包络形成所述区域的统一的包络函数；通过组装所述各局部区域的包络函数形成应变矩阵εT；—按tr(εTε)→max和|εTε|→max准则建立应变贴片合理位置的优化模型，进而通过数值寻优迭代的方法求出应变贴片最合理的位置；—通过线性规则LP求出得到解耦矩阵C，通过如下公式求得在役载荷F； εTC＝F (2)公式(2)为公式(1)的简记形式；公式(2)中ε为设定的拟贴片处的应变矩阵，该矩阵可以测量得到也可以计算得出，公式(1)中m为载荷模式数，n为应变分量数。2.根据权利要求1所述的基于K-S包络函数的在役载荷反向求解方法，其特征还在于所述通过K-S函数包络形成局部区域统一的包络函数为：其中，ρ＞0，εi(x,y,z)(i＝1,……,6)第i号区域按下式|εTε|→max (4)求出的近似函数。3.根据权利要求2所述的基于K-S包络函数的在役载荷反向求解方法，其特征还在于形成区域的统一的包络函数具体包括如下步骤：—选择拟贴应变片位置的坐标作为样本点，它们在结构表面组成了K个相邻的三角形；—在载荷模式下，Fi＝1(i＝1,……,m)的条件下，进行有限元计算，结合所述的样本点，提取出K+1个节点中每个节点的应变分量；—通过每个节点的应变分量值，计算第k个三角形中各分量的线性基函数：、ε(i)(x,y,z)＝[εi1(k)(x,y,z),……,εim(k)(x,y,z)] (8)—根据所述公式(6)建立整个区域内的包络函数其中，—最终，根据公式(9)得出应变矩阵。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：兆文忠，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21