基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法及系统，本发明专利技术的技术方案将无量纲分析引入到多尺度结构的动力学响应等效方法中，并发现若存在一个结构，其无量纲形式的动力学响应与原结构的无量纲形式的动力学响应一致，则该结构与原结构的动力学响应可实现等效。进而本发明专利技术的设计方法基于等效结构与原结构的无量纲形式的动力学响应对应一致或接近的原则构建无量纲数学分析模型，然后利用所述无量纲数学分析模型、原结构以及等效结构的相关已知参数计算出等效结构的未知设计参数。从而基于上述设计方法，本发明专利技术解决了材料、几何畸变下等效结构的设计难点，提高了设计效率，尤其极大提高了在寻求轻量化材料或结构过程的整体效率。料或结构过程的整体效率。料或结构过程的整体效率。

【技术实现步骤摘要】
基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法及系统


[0001]本专利技术属于动力学响应等效模型设计
，具体涉及一种基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法及系统。

技术介绍

[0002]研究复杂多尺度结构的动力学响应等效问题时，需对其中蕴含的物理环节、关系和过程进行初步分析，确定各参数对问题的影响效果，分析关键参数的权重，获得较为明确的函数关系。其中，量纲分析法在结构动力学响应等效分析中占有重要地位，能够在未求解问题前对结果有个定性和半定量的把握。
[0003]目前，王显圣等提出了“一种空腔流固耦合方程的无量纲化方法”专利技术专利，首先，建立空腔流固耦合问题的关键影响参数系统，然后，建立空腔流固耦合问题的表征参数系统，随后，建立无量纲的空腔流固耦合问题的表征参数系统，紧接着建立空腔流固耦合方程和边界条件，最后建立无量纲的空腔流固耦合方程和无量纲的空腔流动边界远场条件。
[0004]翟新康等提出了“一种飞机整体翼梁无量纲应力强度因子的计算方法”专利技术专利，根据含裂整体翼梁的应力强度因子有限元模型，获取含裂整体翼梁基本结构下的裂尖随裂纹扩展的无量纲应力强度因子曲线β0和含裂整体翼梁止裂筋条面积s敏感参数下的裂尖随裂纹扩展的无量纲应力强度因子曲线β5，获取含裂整体翼梁基本结构下的载荷影响系数曲线β6，根据曲线β0、β5和β6，计算含裂整体翼梁的无量纲应力强度因子β。
[0005]叶贵根等提出了“基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法”专利技术专利，首先选择多种金属材料进行切削实验，得到不同材料的临界切削速度，通过量纲分析对各影响参数进行无量纲化处理，建立形成临界切削速度关于无量纲参数的隐式表达式，基于切削试验建立高速切削的有限元模型，通过数值仿真模拟分析隐式表达式中各无量纲参数对临界切削速度的影响规律，得到不同无量纲参数所对应的临界切削速度，将仿真模拟分析得到的无量纲参数及对应的临界切削速度进行数值拟合，得到显式表达式。
[0006]吴巧云等提出了“基于量纲分析相邻非弹性多自由度结构碰撞反应的方法”专利技术专利，建立两个非弹性多自由度结构的运动方程，得到相邻非弹性多自由度结构的无量纲运动方程，根据改进Kelvin模型中碰撞力的定义，建立碰撞力表达式，并得到无量纲化的碰撞力表达式，根据Π定理，将两个非弹性多自由度结构的运动方程进行无量纲化，基于无量纲化两个非弹性多自由度结构的运动方程，研究两个非弹性多自由度结构在简化地震作用下的碰撞反应，确定出各因素对碰撞反应的影响。
[0007]虽然上述技术方案均是采用量纲分析法，分析各因素对系统响应的影响效果，提取主导控制变量，消除不相关或影响较小的物理量，构建无量纲数学分析模型，在求解相关问题时有效减少研究时间、提高研究效率。但是关于参数无量纲化的多尺度结构动力学响应等效方法未见报道。
[0008]动力学响应目标等效结构常用于试验测试，利用其能有效降低试验成本、提高试验效率。尤其被广泛应用于列车、汽车、飞机等载运工具的整车、壳体、零部件之类结构上，
构建出该类型结构的动力学响应的等效结构，并用于动力试验(如冲击试验)等。然而多数情况下，目标等效结构的设计存在材料和几何的畸变，以及当前在寻求轻量化材料或结构的过程中，材料属性和结构几何参数也会随之发生变化。即等效结构的设计存在材料和几何的畸变时，则无法确保等效结构与原结构材料属性或结构几何参数比例一致，即等效结构与原结构各部件间的比值s
i
不尽相同，从而无法直接利用原倍数来获得等效结构的相关设计参数，需要另一种途经来重新确定等效结构的设计，以保证两者动力学响应等效，从而保证等效结构的动力试验测试与原结构实际情况的吻合。
[0009]如通常在构建列车/汽车/飞机的等效结构时，由于外壳的长度和厚度方向按照同样的比例缩放会导致等效结构厚度方向的尺寸较小，在加工过程中易发生焊接烧穿和局部变形等不利后果，此时厚度方向的设计可以理解为x方向的几何畸变。如在轻量化结构的设计中，都在寻求采用铝合金、镁合金等材料替代传统的钢结构，但是镁合金和铝合金结构的几何参数如何设计才能满足与原结构动力学响应的等效，就会涉及到材料畸变条件下，轻量化结构相关几何参数的确定。
[0010]然而，现有技术中缺乏有效手段来处理材料属性以及几何畸变下的结构设计的问题，因此，极有必要探索多尺度结构的动力学响应等效方法，并将其应用于目标等效结构的设计中，用于确定等效结构的材料属性、几何设计参数。

技术实现思路

[0011]本专利技术为了克服上述技术问题，提供一种基于无量纲形式的动力学响应的等效结构参数设计方法及系统。其中，将无量纲分析引入到多尺度结构的动力学响应等效方法中，通过无量纲分析研究发现“若存在一个结构，其无量纲形式的动力学响应与原结构的无量纲形式的动力学响应一致，则该结构与原结构的动力学响应可实现等效”，进而基于该研究结果并利用无量纲数学分析模型确定等效结构的材料参数和结构几何参数，提高结构设计效率。即使存在材料的畸变或几何畸变或材料的更替，至少将受畸变或材料替换影响的设计参数设定为所求设计参数，根据原结构所处工况要求的动力等效要求以及与所求设计参数有关的动力学响应，确定需要等效的动力学响应，从而构建出原结构与等效结构之间的无量纲数学分析模型，进而求解出原结构的设计参数，解决了材料畸变/几何畸变/材料更新下的结构设计问题，尤其是在运载工具的试验测试中应用空间较大。
[0012]一方面，本专利技术提供的一种基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法，其包括以下步骤：
[0013]根据工况要求以及所求的设计参数构建原结构的动力平衡方程，获得原结构的动力学响应，其中，所求的设计参数至少是包括受材料畸变或几何畸变或材料更新影响的设计参数，；
[0014]构建所述原结构的等效结构的动力平衡方程，获得等效结构的动力学响应；
[0015]基于等效结构与所述原结构的无量纲形式的动力学响应对应一致或接近的原则构建所述等效结构与所述原结构之间的无量纲数学分析模型；
[0016]其中，所述无量纲数学分析模型是以等效结构与原结构的无量纲形式的动力学响应完全等效构建的等效方程，或以等效结构与原结构的无量纲形式的动力学响应的绝对差值最小为目标构建的多目标优化模型；
[0017]利用所述无量纲数学分析模型以及所述原结构、等效结构的已知参数计算出等效结构的设计参数，所述设计参数包括：材料属性参数和/或几何结构参数。其中，已知参数是指在无量纲数学分析模型中等效方程或多目标优化模型的参数中，原结构/等效结构上已知的参数。
[0018]本专利技术研究发现，若存在一个结构，其无量纲形式的动力学响应与目标结构无量纲形式的动力学响应一致，则该结构与原结构的动力学响应可实现等效。基于该研究发现，针对任意类型的原结构，根据其工况要求的动力学响应等效内容，将原结构的动力学响应进行无量纲处理，对应等效结构的动力学响应的无量纲化结果应当与原结构的对应相等，进而计算出等效结构的设计参数。然而有些复杂结构，无法直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无量纲动力学响应的等效结构参数设计方法，其特征在于：包括以下步骤：根据工况要求以及所求的设计参数构建原结构的动力平衡方程，获得原结构的动力学响应，其中，所求的设计参数至少是包括受材料畸变或几何畸变或材料更新影响的设计参数；构建所述原结构的等效结构的动力平衡方程，获得等效结构的动力学响应；基于等效结构与所述原结构的无量纲形式的动力学响应对应一致或接近的原则构建所述等效结构与所述原结构之间的无量纲数学分析模型；其中，所述无量纲数学分析模型是以等效结构与原结构的无量纲形式的动力学响应完全等效构建的等效方程，或以等效结构与原结构的无量纲形式的动力学响应的绝对差值最小为目标构建的多目标优化模型；利用所述无量纲数学分析模型以及所述原结构、等效结构的已知参数计算出等效结构的设计参数，所述设计参数包括：材料属性参数和/或几何结构参数。2.根据权利要求1所述的等效结构参数设计方法，其特征在于：所述无量纲数学分析模型中的等效方程表示为：所述多目标优化模型中所述目标表示为：minπ＝min[|π1‑
π1'|,...,|π
j
‑
π'
j
|]其中，π1、π
j
是所述原结构上根据工况要求所需等效的第1个、第j个无量纲形式的动力学响应；π1'、π'
j
是所述等效结构上对应第1个、第j个无量纲形式的动力学响应。3.根据权利要求1所述的等效结构参数设计方法，其特征在于：所述动力学响应是依据工况要求选择的一类或多类动力学参数的组合，所述动力学参数的类型至少包括位移、应变和应力。4.根据权利要求1所述的等效结构参数设计方法，其特征在于：所述原结构为薄壳单元、或薄板单元、或薄板单元和薄壳单元组合而成；其中，所述薄壳单元为纯曲面结构，所述薄板单元为纯平直结构。5.根据权利要求4所述的等效结构参数设计方法，其特征在于：所述薄板单元对应位移、应变、应力的无量纲形式的动力学响应表示为：
其中，u,v为薄板在中性面上x、y方向的位移，z为薄板在z方向的位移，w为薄板的挠度，ε
x
,ε
y
为薄板在x、y方向的正应变，ε
xy
为薄板的切应变，σ
x
,σ
y
为薄板在x、y方向的正应力，τ
xy
为薄板的切应力，E为薄板材料的弹性模量，μ为泊松比。6.根据权利要求4所述的等效结构参数设计方法，其特征在于：所述薄壳单元对应位移、应变、应力的无量纲形式的动力学响应表示为：移、应变、应力的无量纲形式的动力学响应表示为：移、应变、应力的无量纲形式的动力学响应表示为：其中，u...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫凯波，陆思思，董绍江，余腾伟，张霞，王潘，倪伟韬，段辉，包宏立，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：