一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法、设备、介质技术

本发明专利技术提出了一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法、设备、介质。所述方法包括：可靠性仿真试验模型参数化建模，开展仿真模型预实验，仿真数据降阶与代理模型构建，开展物理试验获取实际响应数据，标定代理模型参数。本发明专利技术采用降阶模型方法，通过离线建立仿真数据库，快速构建暴露仿真参数的代理模型，基于遗传算法标定仿真参数，能够为可靠性仿真试验提供精确、高置信度的模型，提高可靠性仿真试验的分析效率，减少物理试验的开展量，节省产品研发、试验成本。试验成本。试验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法、设备、介质


[0001]本专利技术属于结构可靠性分析、产品测试验证领域，具体涉及一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法、设备、介质。

技术介绍

[0002]结构可靠性分析是航空和机械领域长期面临的关键研究课题，在工程应用中大多是通过广泛开展可靠性试验，对结构能否在工作条件和规定时间内保持完整性进行检验验证。仿真试验手段为结构可靠性的验证提供了新的分析工具，可以在产品研发过程中部分替代或补充实物试验，对于复杂结构系统的分析提效具有重要作用。数字孪生技术(DigitalTwin,DT)是近年来兴起的数字技术之一，在众多产品的全生命周期中创建物理产品的数字表示，能够很好地支持运维及研发，通过建立物理产品的系统仿真模型，从而进行高效的预测分析，是其一大技术特点及优势，这与结构可靠性仿真试验，特别是复杂结构系统可靠性的评估相契合。
[0003]在实际应用中，可靠性试验需求的试验频次高、试验环境复杂、试验对象复杂程度不一，因此对仿真试验的建模、验证、开展形成了多方面需求，特别是高保真仿真建模的需求和高效率实验开展的需求。由于很难对仿真试验对象有一个完整清晰的认识，很难在一开始就建立完全精准的仿真试验模型，这意味着仿真模型的参数可能与真实值不符，因而需要通过仿真试验标定，修正模型参数，提高仿真试验模型对实际对象行为的映射能力。有限元模型是飞机结构仿真的重要手段，模型精度将直接影响仿真结果的精度，在满足一定试验可靠度的条件下，数值仿真的好坏直接关联于仿真模型的精度和保真度，这需要通过一致性评估来进行验证与确认，对仿真模型进行适当的修正。然而，通过人工手动调参或利用有限元重复仿真调参的手段，在实际操作上具有较高的人工或计算成本。
[0004]可以通过数据降阶方法解决上述问题。从降阶的实现方法分类，可以将传统的降阶模型分为三种，简化模型法、投影法和数据拟合法。其中数据拟合法也称代理模型方法，旨在建立模型输入输出参数之间黑箱式的映射关系，以替代精细化仿真。常用方法有多项式响应面、高斯过程回归、支持向量回归、人工神经网络等，各类方法各有优劣，往往需要根据实际情况选择。为了弥补预测精度不足或下降的问题，自适应动态模型降阶方法通过新增样本点重新构建代理模型，可以在使用阶段自适应更新模型，用于优化问题的辅助求解。
[0005]对于飞机结构在可靠性仿真试验中的模型准确性校核问题，一方面试验对象的仿真模型基本完备，在试验开展之初就已经建立，测试载荷分布点可以较多，容易形成大规模的仿真数据；另一方面，需要设计一定的实物试验，形成校准模型所用的数据集，充分探知模型在不同载荷下的实际响应。综合使用两方面的大量数据，才能对仿真模型进行有效的标定与校准，从而进一步完善针对结构可靠性的试验方案和试验计划。因此，需要设计面向飞机结构的可靠性仿真试验模型标定方法及工具。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法、设备、介质。所述方法包括步骤：可靠性仿真试验模型参数化建模，开展仿真模型预实验，仿真数据降阶与代理模型构建，开展物理试验获取实际响应数据，标定代理模型参数。本专利技术采用降阶模型方法，通过离线建立仿真数据库，快速构建暴露仿真参数的代理模型，基于遗传算法标定仿真参数，能够为可靠性仿真试验提供精确、高置信度的模型，提高可靠性仿真试验的分析效率，减少物理试验的开展量，节省产品研发、试验成本。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1、可靠性仿真试验模型参数化建模，包括：将飞机结构的数字模型转化为可进行有限元计算的仿真模型，提取影响模型仿真计算结果的主要参数，所述主要参数包括材料属性、几何尺寸，借助有限元建模与仿真工具实现模型的参数化构建；根据材料批次数据、几何测量结果确定参数可行域和分布形式；
[0010]步骤2、开展仿真模型预试验；
[0011]步骤3、仿真数据降阶、构建代理模型；
[0012]步骤4、开展物理试验，获取实际响应数据；
[0013]步骤5、标定代理模型参数；
[0014]步骤6、输出已标定的仿真模型，对仿真模型进行可靠性仿真试验。
[0015]进一步地，所述步骤2包括：
[0016]根据步骤1中确定的参数可行域，以及计划在试验中施加的载荷，包括形式、范围，在参数可行域的范围内以拉丁超立方抽样方式选取参数，设置仿真模型预试验，施加仿真试验载荷，通过有限元法求解结构仿真模型的变形；根据物理试验的应变、位移传感器的布置情况，以及结构可靠性仿真分析的关切数据点，选取仿真模型的结果数据点。
[0017]进一步地，所述步骤3包括：
[0018]基于步骤2得到的仿真模型的结果数据点，利用模型降阶方法构建代理模型，其中步骤1中的仿真试验载荷作为代理模型输入，仿真试验模型主要参数作为代理模型参数，步骤2中的仿真分析的关切数据点作为代理模型输出，通过神经网络、拟合系数方程方法，训练、生成代理模型；使用FMI标准化仿真接口，将降阶模型的参数、求解程序封装为可供联合仿真使用的FMU模块，根据仿真试验的关联关系，建立系统级的仿真模型。
[0019]进一步地，所述步骤4包括：
[0020]开展不同载荷形势下的多组物理试验，获取关切数据点的位移、应变主要数据提供给步骤5用于标定代理模型参数。
[0021]进一步地，所述步骤5包括：
[0022]对步骤3中构建的代理模型，通过对比验证公式评估代理模型仿真结果与实物试验结果的一致性，进一步将对比验证公式应用为标定算法的目标函数，运用遗传算法的优化方法，标定代理模型的模型参数。
[0023]进一步地，所述步骤5具体包括：
[0024]步骤5.1设置代理模型的初始化种群：
[0025]根据步骤1中确定的参数可行域，随机抽样产生初始化种群的代理模型参数，设定
种群规模N，形成仿真模型的参数列表根据物理试验载荷类型，设定试验工况数K，设第k种工况下的载荷规模为F
k
；
[0026]步骤5.2评估种群中个体的对比验证结果：
[0027]对于步骤5.1中建立的代理模型个体，通过对比验证算法计算每个个体在第k个工况下的仿真试验响应与相对应的物理试验结果对比，计算目标函数目标函数采用RSME公式：
[0028][0029]步骤5.3判断是否满足结束条件：
[0030]设定种群演化的最大代际数为M，目标函数回查代际数设定为M
c
，若当前代际数达到M或回查M
c
个代际的变化量小于设定精度∈，则判定为优化过程结束；
[0031]步骤5.4进行种群演化操作：
[0032]设置种群中个体参数基因的交叉、变异，以及当前代际中优势个体的选择机制；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、可靠性仿真试验模型参数化建模，包括：将飞机结构的数字模型转化为可进行有限元计算的仿真模型，提取影响模型仿真计算结果的主要参数，所述主要参数包括材料属性、几何尺寸，借助有限元建模与仿真工具实现模型的参数化构建；根据材料批次数据、几何测量结果确定参数可行域和分布形式；步骤2、开展仿真模型预试验；步骤3、仿真数据降阶、构建代理模型；步骤4、开展物理试验，获取实际响应数据；步骤5、标定代理模型参数；步骤6、输出已标定的仿真模型，对仿真模型进行可靠性仿真试验。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，其特征在于，所述步骤2包括：根据步骤1中确定的参数可行域，以及计划在试验中施加的载荷，包括形式、范围，在参数可行域的范围内以拉丁超立方抽样方式选取参数，设置仿真模型预试验，施加仿真试验载荷，通过有限元法求解结构仿真模型的变形；根据物理试验的应变、位移传感器的布置情况，以及结构可靠性仿真分析的关切数据点，选取仿真模型的结果数据点。3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，其特征在于，所述步骤3包括：基于步骤2得到的仿真模型的结果数据点，利用模型降阶方法构建代理模型，其中步骤1中的仿真试验载荷作为代理模型输入，仿真试验模型主要参数作为代理模型参数，步骤2中的仿真分析的关切数据点作为代理模型输出，通过神经网络、拟合系数方程方法，训练、生成代理模型；使用FMI标准化仿真接口，将降阶模型的参数、求解程序封装为可供联合仿真使用的FMU模块，根据仿真试验的关联关系，建立系统级的仿真模型。4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，其特征在于，所述步骤4包括：开展不同载荷形势下的多组物理试验，获取关切数据点的位移、应变主要数据提供给步骤5用于标定代理模型参数。5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的飞机结构可靠性仿真试验模型标定方法，其特征在于，所述步骤5包括：对...

【专利技术属性】
技术研发人员：董雷霆，卢志远，谢克诚，蒋成鑫，孙琦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：