一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，包括确定有限元模型材料等，输入优化初始值；找出在有限元模型中与实际振型最匹配的模态阶数，并计算匹配后的仿真频率值与实验频率值的相对误差；建立各个状态的数学优化模型，设定优化步长及其收敛精度值；根据目标函数中，逐步向MSC.Nastran提交编写的各个状态的优化卡片，提取迭代后的设计变量及其各个状态的迭代收敛值；根据所有状态的提取迭代后的设计变量最优解及其各个状态的迭代收敛值；逐步调用MSC.Nastran，应用该初始值对各个状态的模型进行分析；直至迭代后所有状态的最优解的计算值与该次调用MSC.Nastran输入的初始值相同。本方法为基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法提供一个参考。

A Modification Method of Multi-State Model Based on Unconstrained Optimal Model

【技术实现步骤摘要】
一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法
本专利技术属于工程结构设计
，尤其涉及一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法。
技术介绍
目前，有限元工具己经广泛用于各种工程结构的计算，对于大型复杂结构，如火箭、导弹、飞机等有限元模型建立困难，即使工程技术人员建立了有限元模型，往往因为计算的误差太大，不能准确预示实际结构的力学特性，使模拟仿真工作受到很大的限制，最后还是需要物理样机试验才能了解飞行器结构的力学特性。有限元修正技术就是要利用物理样机试验和有限元仿真两者的优点，用少量的样机试验所获得的数据对有限元模型进行修正，获得比较准确的有限元模型，从而可以替代那些复杂、耗资巨大的物理样机的制造，节省费用和缩短研制周期。修正的目标都是让有限元模型的计算结果和物理样机试验结果保持一致，建立精确的有限元模型是当前的一个重要挑战。在航天领域中，火箭姿态控制是现在要解决的一个难题，随着火箭的发射，火箭在飞行过程中燃料的消耗，不同飞行时间的火箭结构动力学特性很难用实验确定，因此火箭、导弹的建模技术、动态特性数值分析技术得到了国内外学者和工程师的越来越多的关注。多状态有限元模型修正即选取火箭、导弹发射的其中几个不同时间时，对火箭、导弹进行模态分析，由于不同时间的燃料的不同，其动力学特性不同，根据对其中选取出的几个状态的火箭模型进行有限元模型修正，保证各个状态仿真的动力学特性与实验的动力学特性接近，来达到对火箭有限元模型的精确建立，对航空航天领域有重要的作用。本专利技术针对非对称结构的多状态有限元模型修正中存在的修正后各个状态的动力学特性不一致的问题，提出了一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法。这种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，结合结构模态有限元分析方法，通过建立无约束优化模型，设定合理的目标函数；通过计算出各个状态特征向量残差与频率残差的比值，计算出目标函数中各个状态中特征向量与频率的权重系数；逐步调用所有状态的MSC.Nastran优化卡片进行迭代；利用各个状态的迭代收敛值，计算出各个状态之间的权重系数，用来计算所有状态的最优解，计算出的最优解作为下一次调用MSC.Nastran的设计变量的初始值；编写优化卡片，继续逐步调用所有状态的MSC.Nastran优化卡片进行迭代；通过增加状态特征向量残差与频率残差的比值，减小频率对目标函数的影响，重复调用MSC.Nastran，直至修正后的所有状态的有限元的动力学特性与实验模型的动力学特性一致。这种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法有助于减少运算过程中的计算量和时间，并更大限度的使所有状态的有限元模型的动力学特性与实验模型的动力学特性一致，这种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法能够有效解决非对称结构的多状态有限元模型修正中存在的修正后各个状态的动力学特性不一致的问题，这对于推动航空航天等重要领域的快速发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对非对称结构多状态有限元模型修正中存在的问题，通过建立无约束优化模型，设定合理的目标函数；通过计算出各个状态特征向量残差与频率残差的比值，计算出目标函数中各个状态中特征向量与频率的权重系数；逐步调用所有状态的MSC.Nastran优化卡片进行迭代；利用各个状态的迭代收敛值，计算出各个状态之间的权重系数，用来计算所有状态的最优解，计算出的最优解作为下一次调用MSC.Nastran的设计变量的初始值；编写优化卡片，继续逐步调用所有状态的MSC.Nastran优化卡片进行迭代；通过增加状态特征向量残差与频率残差的比值，减小频率对目标函数的影响，重复调用MSC.Nastran，直至修正后的所有状态的有限元的动力学特性与实验模型的动力学特性一致，得到最优的设计变量解。这种一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，有助于缩短结构设计周期，这种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法能够有效解决非对称结构的多状态有限元模型修正中存在的修正后各个状态的动力学特性不一致的问题，具有极强的实用性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术采用的技术方案为一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，包括以下步骤：第一步，确定有限元模型材料，及其结构参数，并建立各个状态的有限元模型，输入设计变量的初始值；各个状态指的是火箭发射随着燃料减少取发射过程中的几个时间点即各个状态实验测的几个时间点的模型；第二步，调用MSC.Patran软件对各个状态有限元模型进行模态分析，对模态结果设定为振型归一化处理，并与实验得到的振型配对，找出在有限元模型中与实际振型最匹配的模态阶数，并计算匹配后的仿真频率值与实验频率值的相对误差；第三步，建立各个状态的数学优化模型，设定优化步长及其收敛精度值；第四步，根据目标函数中，特征向量与频率残差所占的比值，提出计算权重系数的方法，各个状态频率与振型中相应的权重系数wu和wf；第五步，将比值a作为1/m，计算出各个状态频率与振型中相应的权重系数；第六步，编写MSC.Nastran优化卡片，逐步向MSC.Nastran提交编写的各个状态的优化卡片，进行迭代计算，提取迭代后的设计变量及其各个状态的迭代收敛值；第七步，根据所有状态的提取迭代后的设计变量最优解及其各个状态的迭代收敛值，计算各个状态的权重系数，并计算下一次调用MSC.Nastran设计变量初始值；第八步，逐步调用MSC.Nastran，应用该初始值对各个状态的模型进行分析，迭代步数设为1，提取在该初始值时各个模型分析的频率与特征向量的数据；第九步，增加比值a，计算出各个状态相应的权重系数wu和wf，编写优化卡片；第十步，重复第六步、第七步、第八步、第九步，直至迭代后所有状态的最优解的计算值与这次输入的初始值相同。本专利技术相比现有技术的优点在于：基于整体结构的力学性能分析，；通过计算出各个状态特征向量残差与频率残差的比值，计算出目标函数中各个状态中特征向量与频率的权重系数；通过所有状态每次调用MSC.Nastran前增加比值，用来逐渐减小频率对目标函数的影响；根据各个状态模型调用MSC.Nastran后的迭代收敛值，选取迭代收敛值比较小的状态占的权重系数比较大，计算出的所有状态的最优解靠近迭代收敛值较小的状态的最优解，计算出的所有状态的最优解作为下一次调用MSC.Nastran的设计变量的初始值，直接调用MSC.Nastran的卡片直接运算，可以使仿真频率和振型与实验振型和频率更加接近；能够减少计算量，并减少计算时间，最后得到与实际较为相似的设计变量值，使仿真模型的动态特性与实验值更为接近，使仿真频率与实验频率更为接近。为工程师提供更准确的非对称结构的多状态有限元模型修正的方法。此外，本方法不适用于对称结构的多状态模型修正，在修正对称结构时容易发生模态交换，不能使模型修正达到满意结果。附图说明图1是三个状态变截面梁模型的截面图。图2是状态1的目标迭代曲线及其设计变量迭代曲线。(a)是目标迭代历史；(b)是截面惯性矩I1方向迭代历史；(c)是截面惯性矩I2方向迭代历史。图3是状态2的目标迭代曲线及其设计变量迭代曲线。(a)是目标迭代历史；(b)是截面惯性矩I1方向迭代历史；(c)是截面惯性矩I2方向迭代历史。图4是状态3的目标迭代曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，其特征在于：包括以下步骤，第一步，确定有限元模型材料，及其结构参数，并建立各个状态的有限元模型，输入设计变量的初始值；各个状态指的是火箭发射随着燃料减少取发射过程中的几个时间点即各个状态实验测的几个时间点的模型；第二步，调用MSC.Patran软件对各个状态有限元模型进行模态分析，对模态结果设定为振型归一化处理，并与实验得到的振型配对，找出在有限元模型中与实际振型最匹配的模态阶数，并计算匹配后的仿真频率值与实验频率值的相对误差；第三步，建立各个状态的数学优化模型，设定优化步长及其收敛精度值；第四步，根据目标函数中，特征向量与频率残差所占的比值，提出计算权重系数的方法，各个状态频率与振型中相应的权重系数wu和wf；第五步，将比值a作为1/m，计算出各个状态频率与振型中相应的权重系数；第六步，编写MSC.Nastran优化卡片，逐步向MSC.Nastran提交编写的各个状态的优化卡片，进行迭代计算，提取迭代后的设计变量及其各个状态的迭代收敛值；第七步，根据所有状态的提取迭代后的设计变量最优解及其各个状态的迭代收敛值，计算各个状态的权重系数，并计算下一次调用MSC.Nastran设计变量初始值；第八步，逐步调用MSC.Nastran，应用该初始值对各个状态的模型进行分析，迭代步数设为1，提取在该初始值时各个模型分析的频率与特征向量的数据；第九步，增加比值a，计算出各个状态相应的权重系数wu和wf，编写优化卡片；第十步，重复第六步、第七步、第八步、第九步，直至迭代后所有状态的最优解的计算值与这次输入的初始值相同。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，其特征在于：包括以下步骤，第一步，确定有限元模型材料，及其结构参数，并建立各个状态的有限元模型，输入设计变量的初始值；各个状态指的是火箭发射随着燃料减少取发射过程中的几个时间点即各个状态实验测的几个时间点的模型；第二步，调用MSC.Patran软件对各个状态有限元模型进行模态分析，对模态结果设定为振型归一化处理，并与实验得到的振型配对，找出在有限元模型中与实际振型最匹配的模态阶数，并计算匹配后的仿真频率值与实验频率值的相对误差；第三步，建立各个状态的数学优化模型，设定优化步长及其收敛精度值；第四步，根据目标函数中，特征向量与频率残差所占的比值，提出计算权重系数的方法，各个状态频率与振型中相应的权重系数wu和wf；第五步，将比值a作为1/m，计算出各个状态频率与振型中相应的权重系数；第六步，编写MSC.Nastran优化卡片，逐步向MSC.Nastran提交编写的各个状态的优化卡片，进行迭代计算，提取迭代后的设计变量及其各个状态的迭代收敛值；第七步，根据所有状态的提取迭代后的设计变量最优解及其各个状态的迭代收敛值，计算各个状态的权重系数，并计算下一次调用MSC.Nastran设计变量初始值；第八步，逐步调用MSC.Nastran，应用该初始值对各个状态的模型进行分析，迭代步数设为1，提取在该初始值时各个模型分析的频率与特征向量的数据；第九步，增加比值a，计算出各个状态相应的权重系数wu和wf，编写优化卡片；第十步，重复第六步、第七步、第八步、第九步，直至迭代后所有状态的最优解的计算值与这次输入的初始值相同。2.根据权利要求1所述的一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，其特征在于：根据模态置信准则MAC，有限元模型与实验得到的振型进行匹配，找出在有限元模型中与实际振型最匹配的模态阶数，并计算匹配后的仿真频率值与实验频率值的相对误差；式中，φi和φii分别表示每个状态第i阶模态对应的仿真值和试验模态振型向量，和分别表示向量φi和向量φit的转置矩阵；MAC值总是在[0,1],越靠近1就表示越好的关联性。3.根据权利要求1所述的一种基于无约束优化模型的多状态模型修正的方法，其特征在于：在MSC.Nast...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜家政，付胜伟，徐颖康，粘向川，邓稳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11