基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法，以球壳结构为例，涉及结构的健康监测领域，能够降低球壳形态结构的应变场分析过程中，进行反演时所需的传感器数量。本发明专利技术包括：确定球壳结构初步单元网格划分与传感器布局方案，同时根据八节点体单元位移插值函数原理，推导八节点体单元对应的体单元应变函数模型；根据单元网格划分方案，构造基于体单元应变函数的八节点网格单元应变形函数矩阵，并推导表面理论线应变与理论剪切应变；建立理论与实际应变误差函数，反演结构应变场，并结合虚实结合思想，更新结构单元网格划分方案，从而降低球壳形态结构的应变场分析过程中进行反演时所需的传感器数量。数量。数量。

【技术实现步骤摘要】
基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法


[0001]本专利技术涉及球壳结构的健康监测领域，尤其涉及一种基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法。

技术介绍

[0002]耐压球壳结构作为一种高端深海装备，长时间在恶劣深海环境中服役，主要部分是耐压球壳。耐压球壳结构在工作中遭受到风载荷、波浪载荷、船体碰撞以及爆炸冲击等载荷交互作用，球壳结构容易产生变形或损伤，从而威胁到人员安全并造成巨大经济损失。因此，全面、准确获取深潜器结构关键部位的动/静态位移、应变响应与分布特征，能够为确保深潜器正常工作、舱内人员安全、提升深潜器全寿命周期抵抗各种风险能力以及后续发展面向深潜器结构数字孪生提供关键技术支持。
[0003]目前用于结构变形的重构分析方案，主要包括：模态叠加分析、Ko位移理论分析、曲率递推分析以及逆向有限元分析等。前三种方法存在计算复杂、不适合实际工程应用等问题。而逆向有限元分析则需要借助足够多的传感器，当传感器布置较少时，反演精度较低。这就又导致了实际的工程应用中所需传感器数量较多、成本较高的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供一种基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法，以球壳结构为例，该方法能够降低球壳形态结构的应变场分析过程中，进行反演时所需的传感器数量。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案： S1、初始化所述球壳结构的网格单元划分方案，并初始化球壳结构上的传感器的布局方案； S2、建立体单元的应变模型，其中，所述体单元的应变模型用于计算网格单元内部的任意一点的应变情况； S3、根据所述球壳结构的网格单元划分方案，生成基于所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵； S4、根据所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵，获取体单元的理论应变数据； S5、利用所述理论应变数据训练建立样本库，通过所述样本库训练所述体单元的应变模型，其中，所述样本库中还包括实际应变数据，训练过程中采用MSE神经网络损失函数； S6、将训练后的所述体单元的应变模型的输出作为虚拟传感器监测数据，同时采集所述球壳结构上实际布局的传感器数据作为实际传感器监测数据，利用所述虚拟传感器监测数据和所述实际传感器监测数据共同构成所述球壳结构的应变数据。
[0006]本专利技术实施例提供的用于提升球壳形态反演精度的方法，首先确定球壳结构初步
单元网格划分与传感器布局方案，用于反演球壳结构应变场，同时根据八节点体单元位移插值函数原理，推导八节点体单元对应的体单元应变函数；其次，构建规则网格单元与非规则网格单元之间转换矩阵，并根据单元网格划分方案，构造基于体单元应变函数的八节点网格单元应变形函数矩阵，并推导表面理论线应变与理论剪切应变；最后，根据MSE神经网络损失函数原理，建立理论与实际应变误差函数，反演结构应变场，并结合虚实结合思想，更新结构单元网格划分方案。从而降低球壳形态结构的应变场分析过程中，进行反演时所需的传感器数量。
附图说明
[0007]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0008]图1为本专利技术实施例提供的球壳结构传感器布局方案的示意图；图2为本专利技术实施例提供的球壳结构应变场反演效果验证示意图；图3为本专利技术实施例提供的两种工况下球壳结构位移场反演效果验证示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于逆元法与虚实结合思想的球壳形态反演精度提升流程图示意图；图5为本专利技术实施例提供的方法流程示意图。
实施方式
[0009]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。下文中将详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0010]目前的逆向有限元分析的缺点则包含两点：首先，传统逆有限元原理形函数矩阵无法描述单元内部应变分布信息，从而导致无法反演结构应变场；其次，该方法为保证较高的位移场反演精度，所需传感器数量较多，当传感器布置较少时，反演精度较低。为此，本实
施例的设计思路，主要在于根据八节点体单元应变函数，采用较少的传感器反演球壳结构全域应变，并结合虚实结合思想与逆有限元原理，提升球壳结构位移场反演精度。以便于进一步解决常规八节点逆有限元原理无法反演球壳结构应变场与对结构位移场反演时所需传感器数量较多的问题。
[0011]本专利技术实施例提供一种提升球壳形态反演精度的方法，如图5所示，包括： S1、初始化所述球壳结构的网格单元划分方案，并初始化球壳结构上的传感器的布局方案，用于反演球壳结构应变场； S2、建立体单元的应变模型，其中，所述体单元的应变模型用于计算网格单元内部的任意一点的应变情况； S3、根据所述球壳结构的网格单元划分方案，生成基于所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵； S4、根据所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵，获取体单元的理论应变数据； S5、利用所述理论应变数据训练建立样本库，通过所述样本库训练所述体单元的应变模型，其中，所述样本库中还包括实际应变数据，训练过程中采用MSE神经网络损失函数； S6、将训练后的所述体单元的应变模型的输出作为虚拟传感器监测数据，同时采集所述球壳结构上实际布局的传感器数据作为实际传感器监测数据，利用所述虚拟传感器监测数据和所述实际传感器监测数据共同构成所述球壳结构的应变数据。
[0012]本实施例中，首先确定球壳结构初步单元网格划分与传感器布局方案，用于反演球壳结构应变场，同时根据八节点体单元位移插值函数原理，推导八节点体单元对应的体单元应变函数；其次，构建规则网格单元与非规则网格单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于逆元法与虚实结合技术的结构形态反演精度提升方法，其特征在于，包括：S1、初始化球壳结构的网格单元划分方案，并初始化球壳结构上的传感器的布局方案；S2、建立体单元的应变模型，其中，所述体单元的应变模型用于计算网格单元内部的任意一点的应变情况；S3、根据所述球壳结构的网格单元划分方案，生成基于所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵；S4、根据所述体单元的应变模型的网格单元应变形函数矩阵，获取体单元的理论应变数据；S5、利用所述理论应变数据训练建立样本库，通过所述样本库训练所述体单元的应变模型，其中，所述样本库中还包括实际应变数据，训练过程中采用MSE神经网络损失函数；S6、将训练后的所述体单元的应变模型的输出作为虚拟传感器监测数据，同时采集所述球壳结构上实际布局的传感器数据作为实际传感器监测数据，利用所述虚拟传感器监测数据和所述实际传感器监测数据共同构成所述球壳结构的应变数据。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1中，所述初始化所述球壳结构的网格单元划分方案，包括：采用八节点体单元对球壳结构进行离散，沿着结构经度与纬度方向离散为N个八节点体单元，将基于八节点体单元的网格单元划分方案作为所述球壳结构的初始网格单元划分方案。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S1中，所述初始化球壳结构上的传感器的布局方案，包括：在所述球壳结构的初始网格单元划分方案中，在每个八节点体单元的上表面和下表面，分别布置n组光纤光栅传感器，其中，将所述球壳结构的结构表面上形成的由N
×
2n组传感器构成的分布式传感测量网络，作为球壳结构上的传感器的初始布局方案。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述球壳结构上的传感器，具体采用FBG光纤传感器；在所述球壳结构的结构表面上的由N
×
2n组传感器中，每一组设置三个FBG光纤传感器，这三个FBG光纤传感器分别按照0
°
方向、90
°
方向和其它角度方向粘贴在所述结构表面上。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S2中，所述建立体单元的应变模型，包括：利用八节点体单元的位移插值函数，建立八节点体单元对应的应变模型，其中，所述八节点体单元对应的应变模型包括：
，γ
xy
表示xy平面内的切应变，γ
xz
表示xz平面内的切应变，γ
yz
表示yz平面内的切应变；ε
x
表示x方向的应变，ε
y
表示y方向的应变，ε
z
表示z方向的应变,u表示单元内一点沿x方向的位移，v表示单元内一点沿y方向的位移，w表示单元内一点沿z方向的位移，u
i
、v
i
、w
i
分别表示每个单元内各个节点的位移分量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在S2之后，还包括：建立规则网格单元与非规则网格单元之间转换矩阵，其中，所述八节点体单元具体为一种非规则八节点六面体单元，为所述转换矩阵用于将非规则八节点六...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱清峰，吴国庆，曾捷，蒋镇涛，赵博涵，吴华明，陈向飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：