一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，该系统包含数据接口及处理模块，混合建模及综合模块，可视化融合显示模块，模型修正模块，采用有限元计算(虚拟试验)和实物试验的方式分别对所有子结构进行计算或试验验证，根据实物试验结果数据修正有限元模型(虚拟试验模型)，同时，利用虚拟试验预示的试验趋势指导实物试验，完善实物验证试验方案，最后根据由虚拟试验模型和实物试验数据构建的混合模型进行复杂系统的综合试验环境叠加显示，并在叠加显示模块中采用LOD管理技术，提高Virtools中物理场数据叠加显示的效率。
【专利说明】-种基于VirtooIs的多元数据融合虚拟试验显示系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，属于计算机 仿真【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着当代大型结构和复杂结构（如火箭、海上石油平台、大型建筑、大跨度桥梁 等）在工程中广泛应用，结构建模技术的要求越来越高，同时，难度也不断提高。结构的大 型化决定了对结构整体进行传统的有限元分析计算的效率低下，要求采取子结构综合建模 技术。与此同时，由于工程中某些重要部件存在大量试验数据，如何有效利用这些试验数据 将其与系统中的其他部件综合起来，实现系统的混合建模，建立系统的动力学模型，使其应 用于系统的模态分析、动态响应分析以及各种耦合分析。其工作是非常具有理论价值和实 际意义的。
[0003] 虚拟仿真技术是近期发展起来的一门广泛应用于工程分析的有效工具，它能帮助 技术人员深入理解研究对象物理性质（如结构的应力应变、流速、压力等），再现各种物理 特征（如结构振型、流场流线等）。同时，经过适当数据处理，也可用于实物试验数据的可视 化。能同时实现虚实混合建模和模型修正的系统还没看到公开的文献。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于Virtools的多元数 据融合虚拟试验显示系统，该显示系统主要针对混合建模系统中理论模型与试验模型在 Virtools虚拟现实环境中的叠加显示技术，将混合建模系统平台计算得到的理论模型数据 和虚拟试验数据，在Virtools虚拟现实环境中动态显示，模拟物体实际情况，进而达到系 统方案和产品性能的优化设计，即可以实现"虚实融合"、"以虚预示"的试验验证模式，对实 际设计工作起到指导性作用。
[0005] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现：
[0006] -种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，包含数据接口及处理模 块，混合建模及综合模块，可视化融合显示模块，模型修正模块，其中：
[0007] 数据接口及处理模块：接收外部输入的有限元数据及试验数据并按照设定的数据 格式进行存储，所述有限元数据包括有限元模型数据、有限元模态数据和有限元模型分析 结果数据；所述试验数据包括试验模型数据、试验频响函数数据和试验模态结果数据；
[0008] 混合建模及综合模块：调用数据接口及处理模块中的有限元数据及试验数据，采 用所述有限元数据进行建模得到理论模型，采用所述试验数据进行建模得到试验模型，将 所述理论模型与试验模型进行综合建模，得到混合有限元模型；
[0009] 可视化融合显示模块：将混合建模及综合模块中得到的混合有限元模型进行显 示；
[0010] 模型修正模块：根据混合有限元模型的模态数据与外部输入的试验数据计算模态 置信准则矩阵，即MAC矩阵，之后进行相关性分析，若满足置信度要求，则判断所述混合有 限元模型为可靠模型，若不满足置信度要求，则对所述混合有限元模型进行修正，直至模型 满足置信度要求。
[0011] 在上述基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统中，混合建模及综合模 块建立整体有限元模型的具体方法如下：
[0012] (1)、将有限元数据离散化，得到有限元节点数据、有限元单元数据、有限元边界条 件数据、模态振型数据、模态参数及单元约束数据，并将所述有限元节点数据、有限元单元 数据、有限元边界条件数据、模态振型数据、模态参数及单元约束数据存储为设定的格式， 即得到理论模型的模态数据，完成理论模型的建模；
[0013] (2)、将试验数据离散化，得到试验节点数据、线框单元数据、频响函数点数据和试 验模态数据，并将所述试验节点数据、线框单元数据、频响函数点数据和试验模态数据存储 为设定的格式，即得到试验模型的模态数据，完成试验模型的建模；所述步骤（1)与步骤 (2)中所述设定的格式为相同格式；
[0014] (3)、将步骤（1)中理论模型的模态数据和步骤（2)中的试验模型的模态数据均转 化为频响函数，并将理论模型的频响函数与试验模型的频响函数进行综合，得到混合有限 元模型的频响函数，再将所述混合有限元模型的频响函数进行模态识别，得到混合有限元 模型模态数据，完成混合有限元模型的建模。
[0015] 在上述基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统中，步骤（3)中将理论模 型的模态数据和试验模型的模态数据转化为频响函数Hu的具体方法如下：
[0016] 将模态数据通过如下公式计算得到中间响应量{X}: r
【权利要求】
1. 一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特征在于：包含数据接口 及处理模块，混合建模及综合模块，可视化融合显示模块，模型修正模块，其中 ： 数据接口及处理模块：接收外部输入的有限元数据及试验数据并按照设定的数据格式 进行存储，所述有限元数据包括有限元模型数据、有限元模态数据和有限元模型分析结果 数据；所述试验数据包括试验模型数据、试验频响函数数据和试验模态结果数据； 混合建模及综合模块：调用数据接口及处理模块中的有限元数据及试验数据，采用所 述有限元数据进行建模得到理论模型，采用所述试验数据进行建模得到试验模型，将所述 理论模型与试验模型进行综合建模，得到混合有限元模型； 可视化融合显示模块：将混合建模及综合模块中得到的混合有限元模型进行显示； 模型修正模块：根据混合有限元模型的模态数据与外部输入的试验数据计算模态置信 准则矩阵，即MAC矩阵，之后进行相关性分析，若满足置信度要求，则判断所述混合有限元 模型为可靠模型，若不满足置信度要求，则对所述混合有限元模型进行修正，直至模型满足 置信度要求。
2. 根据权利要求1所述的一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特 征在于：所述混合建模及综合模块建立整体有限元模型的具体方法如下 ： (1) 、将有限元数据离散化，得到有限元节点数据、有限元单元数据、有限元边界条件数 据、模态振型数据、模态参数及单元约束数据，并将所述有限元节点数据、有限元单元数据、 有限元边界条件数据、模态振型数据、模态参数及单元约束数据存储为设定的格式，即得到 理论模型的模态数据，完成理论模型的建模； (2) 、将试验数据离散化，得到试验节点数据、线框单元数据、频响函数点数据和试验模 态数据，并将所述试验节点数据、线框单元数据、频响函数点数据和试验模态数据存储为设 定的格式，即得到试验模型的模态数据，完成试验模型的建模；所述步骤（1)与步骤（2)中 所述设定的格式为相同格式； (3) 、将步骤（1)中理论模型的模态数据和步骤（2)中的试验模型的模态数据均转化为 频响函数，并将理论模型的频响函数与试验模型的频响函数进行综合，得到混合有限元模 型的频响函数，再将所述混合有限元模型的频响函数进行模态识别，得到混合有限元模型 模态数据，完成混合有限元模型的建模。
3. 根据权利要求2所述的一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特 征在于：所述步骤（3)中将理论模型的模态数据和试验模型的模态数据转化为频响函数Hu 的具体方法如下： 将模态数据沖J通过如下公式计算得到中间响应量{X}:
其中：N为总模态数，j为自由度数，?Φ, !为结构的第r阶模态，k,为第r阶模态刚度， L为第r阶模态阻尼，Ω^为第r阶固有频率，w为激励点位移；F为激振力；为书写方便， 令λ^ =w/Ω^假定只在结构的j点作用有激振力Fj，那么： F= {0O…FjO…0}τ
式中，?为{的}向量的第j个元素，任一点i处的响应Xi将是：
式中，&为(奶.；(向量的第i个元素，于是可得：
Hij即为i，j之间的频响函数，表示在j点作用单位力时，在i点所引起的响应。
4. 根据权利要求2所述的一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特 征在于：所述步骤（3)中采用固定界面模态综合法或自由界面模态综合法将理论模型的频 响函数与试验模型的频响函数进行综合，得到混合模型的频响函数，再将所述混合模型频 响函数通过多项式拟合法（Levy)方法进行模态识别，得到混合模型模态数据，完成混合有 限元模型的建模。
5. 根据权利要求1所述的一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特 征在于：所述模型修正模块根据混合有限元模型的模态数据与外部输入的与混合有限元模 型对应的试验数据计算模态置信准则矩阵，即MC矩阵，之后进行相关性分析，若满足置信 度要求，则判断所述混合有限元模型为可靠模型，若不满足置信度要求，则对所述混合有限 元模型进行修正，直至模型满足置信度要求的具体实现过程如下： (1) 、采用振型匹配的方法根据混合有限元模型的模态数据与外部输入的模态试验数 据计算混合有限元模型的各阶模态与实物试验结果之间各阶模态的相关性，得到模态置信 准则MAC矩阵，所述MAC矩阵的行为试验振型，列为理论振型； (2) 、提取MAC矩阵第1列最大值{MACmax}i以及所述最大值{MACmax}i在第1列中的行的 位置il，则Π即是与第一阶试验模态匹配的有限元模态阶数，得到第一组匹配对：{1，il}， 提取MAC矩阵第2列最大值{MACmax}2以及所述最大值{MACmax}2在第2列中的行的位置i2， 则i2即是与第二阶试验模态匹配的有限元模态阶数，得到第二组匹配对：{2,i2}，……，依 次类推，得到第η组匹配对：{n，in}，所述η为MC矩阵的总列数； (3) 、判断所述11组匹配对{1，11}……{n，in}对应的η个（MACmaJ1……最大值{MACmax}n 是否满足置信度要求，即是否达到设定的置信度，若满足置信度要求，则判断所述整体有限 元模型为可靠模型，否则进入步骤（4); (4) 、改变整体有限元模型的初始参数,重新得到η组匹配对{1,il}......{n,in}对应的 η个最大值{MACmax}i……最大值{MACmax}n，返回步骤（3)，直至η组匹配对{1，il}……{n，in}对应的η个最大值（MACmajJ1……最大值{MACmax}n满足置信度要求。
6. 根据权利要求1所述的一种基于Virtools的多元数据融合虚拟试验显示系统，其特 征在于：所述可视化融合显示模块通过LOD管理技术将混合建模及综合模块中得到的整体 有限元模型进行显示。
【文档编号】G06F17/50GK104318005SQ201410557273
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】蔡晶琦, 王悦, 吴迪, 郭爱民, 王月, 肖凯, 苏玲 申请人:中国运载火箭技术研究院