一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法和系统，实施步骤包括1)对待分析的柔性基础与转子进行前处理，将其分别转化为状态空间模型和有限元矩阵形式，获取模型信息，并储存于数组中；3)在FPGA中编写Newmark方法与显式梯形方法结合的瞬态计算方法，包括上位机数据获取模块，迭代参数初始化模块、联立求解模块、节点信息递推模块和数据储存模块；4)搭建上位机与FPGA硬件终端的数据通讯接口，实现上位机对FPGA硬件的数据传递和硬件计算结果的实时可视化。本发明专利技术具有运算速度快，开发难度小、计算成本低、数据可视化、可封装成通用模块等优点，解决了复杂转子系统瞬态计算难题。复杂转子系统瞬态计算难题。复杂转子系统瞬态计算难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法和系统


[0001]本专利技术涉及转子动力学计算机辅助计算的有限元仿真领域，具体涉及一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法和系统。

技术介绍

[0002]由于柔性基础往往形体复杂，采用一般的有限元建模求解瞬态时，需要建立的数值模型包含大量的节点和单元，矩阵规模异常庞大。对其进行瞬态响应分析，仿真中十几秒的时程响应，往往需要几个小时的计算时间来实现。然而对柔性基座进行协响应分析，并对其实现传递函数无偏差转换状态空间模型，不仅可以准确地反映了柔性基础的时域响应，而且还极大缩减了柔性基座的时域响应函数复杂程度。
[0003]在转子动力学系统瞬态仿真中，Newmark方法与显式梯形方法结合的瞬态计算方法在处理高度非线性动力学问题时具有很好的数值稳定性和数值精度，其可以保证加速度的数值结构具有二阶收敛性。采用Newmark方法与显式梯形方法结合的瞬态计算方法对其进行瞬态响应分析时，需要进行多次循环迭代，其为计算过程中最为耗时的步骤。然而瞬态响应的迭代关键在于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法，其特征在于，该方法包括步骤：S1、利用上位机编写程序对待分析的柔性基础进行传递函数无偏差转换状态空间模型，及转子有限元建模的前处理操作，将谐响应分析得到的柔性基础传递函数通过工具变量法得到无偏差的状态空间模型，并将转子结构离散为各个单元及节点，求解其质量、刚度和阻尼矩阵，计算出外力的有限元模型信息；S2、将有限元模型信息中的质量、刚度、阻尼和外力矩阵的线性非线性部分进行分割，形成两类矩阵群，在上位机中建立数组储存数据；S3、根据前处理得到的柔性基础的状态空间模型以及分离后的质量、刚度、阻尼和外力矩阵，通过Newmark方法与显式梯形方法结合的瞬态计算方法，联立柔性基础的状态空间模型与转子的运动方程，计算转子有限元模型中各个节点在外力作用下产生的响应；S4、对计算出的节点瞬态响应，并逐个输出到储存器中，并且进行更换初值；S5、在上位机中完成与FPGA硬件的数据通讯，并实时输入到上位机中，完成实时数据处理。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法，其特征在于，S1包括步骤：S1.1对柔性基础进行谐响应分析，即利用有限元计算软件(ANSYS，ABQUES等结构有限元计算软件)对柔性基础进行扫频分析，求解其支承位置的扫频力输入与振动位移输出的传递函数；S1.2根据求出的柔性基础传递函数，利用拟合方法拟合出对应传递函数的有理多项式形式，求出与传递函数相对应的状态空间表达；S1.3对转子系统进行有限元建模，即将转子视为Timoshenko梁单元模型，将盘单元视为集中质量单元，组合出转子系统的质量、刚度和阻尼矩阵；S1.4根据转子系统的不平衡量的大小和位置以及转子的转速，定义出转子系统所受外力矩阵。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的复杂转子系统瞬态动力学响应快速计算方法，其特征在于，S2包括步骤：S2.1变换矩阵构建模块：根据转子中非...

【专利技术属性】
技术研发人员：李启行，李帅，马宇航，王维民，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：