一种有限元模型优化装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例设及机械结构设计领域，尤其设及一种有限元模型优化装置及方 法。
【背景技术】
[0002] -般大型结构在激励作用下受到的严重振动及其造成的破坏，本质而言都是由于 模态参数不合理造成的。结构模态分析可W通过模态试验(实物试验)和有限元分析(虚拟 试验)两种途径实现。模态试验是航天器，例如飞机，重要的大型地面试验之一，其目的是获 取固有频率、阻尼比、阵型和阵型斜率等模态参数供自控系统设计使用。
[0003] 在飞机结构设计过程，存在诸多动力学分析问题，比如发动机的转子动力学问题 的分析，又如翼面或整机的颤振分析等，都需要有真实的结构质量和刚度分析，才能使动力 学仿真分析的结果更加可靠和真实。在仿真过程中，而有限元分析又存在模型建立过程中 的材料属性、约束条件和模型维数缩减等误差，使得有限元结构的模态分析有失真情况。为 了补充和修正有限元建模可能存在的偏差，通常采用模态置信度准则(MAC)方法来解决。
[0004] 然而，MAC方法虽然保证了某些模态计算与试验测得的振形一致，但无法确保模态 阶次的一致，例如，模态颠倒、丢失或增添的情况，那么得到一个较真实的有限元分析模型， 就为进一步的复杂动力学问题分析提供可靠的分析模型，为复杂动力学问题的缩聚提供真 实的模态叠加矩阵。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供一种有限元模型优化方法及装置，W解决现有结构模态计算分 析中有限元建模的失真问题。
[0006] 本发明实施例提供了一种有限元模型优化方法，包括：
[0007] 通过试验模态分析方法获取结构的固有频率W及各阶模态在试验检测点的振形 振幅；
[0008] 建立结构有限元模型，在试验检测点位置建立相应的有限元节点；
[0009] 计算结构模态的频率及各阶模态在有限元节点的振形振幅；
[0010] 建立试验检测点的振形振幅与相应的有限元节点的振形振幅的差值形成一阶、二 阶或高阶误差;及
[0011] 将上述各阶误差最小化W优化有限元模型，并使得模态计算与试验测得的阶次、 频率和振形一致。
[0012] 本发明实施例提供了一种有限元模型优化装置，包括：
[0013] 试验模态参数获取模块，用于通过试验模态分析方法获取结构的固有频率W及各 阶模态在试验检测点的振形振幅；
[0014] 有限元模型处理模块，用于建立结构有限元模型，在试验检测点位置建立相应的 有限元节点；
[0015] 所述有限元模型处理模块，还用于计算结构模态的频率及各阶模态在有限元节点 的振形振幅；
[0016] 误差建立模块，用于建立试验检测点的振形振幅与相应的有限元节点的振形振幅 的差值形成一阶、二阶或高阶误差;及
[0017] 优化模块，用于将上述各阶误差最小化W优化有限元模型，并使得模态计算与试 验测得的阶次、频率和振形一致。
[0018] 本发明实施例通过试验模态分析方法获取结构的一组固有频率W及相应各阶模 态在试验检测点的振形振幅;建立结构有限元模型，在试验检测点位置建立有限元检测节 点，并计算结构模态的频率及各阶模态在有限元检测节点的振形振幅;建立试验检测点的 振形振幅与有限元检测节点的振形振幅的差值形成一阶、二阶或高阶误差;最后将上述各 阶误差最小化W优化有限元模型。解决现有结构模态计算分析中有限元建模的失真问题， 提供较真实的有限元模型，为进一步的复杂动力学问题分析提供可靠的分析模型。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明实施例一提供的一种有限元模型优化方法的流程示意图；
[0020] 图2和图3分别是本发明实施例一提供的拟合试验测得的一阶振形面与优化后有 限元计算得到的一阶振形面示意图；
[0021] 图4和图5分别是本发明实施例一提供的拟合试验测得的二阶振形面与优化后有 限元计算得到的二阶振形面示意图；及
[0022] 图6是本发明实施例二提供的一种有限元模型优化装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。可W理解的 是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明 的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0024] 在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成 作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项步骤描述成顺序的处理，但是其中的许 多步骤可W被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项步骤的顺序可W被重新安排。当其 步骤完成时所述处理可W被终止，但是还可W具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理 可W对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
[0025] 为更清楚的理解本实施例所采用的技术方案，现针对W下术语作相关解释：
[0026] 模态:机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态 振型等模态参数。线性结构系统的自由振动被解禪合为N个正交的单自由度振动系统，对应 系统的N个模态。
[0027] 有限元:在数学中，有限元法(Finite Element Method)是一种为求解偏微分方程 边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的 部分，运种简单部分就称作有限元。
[0028] 计算模态分析:模态分析的过程如果是由有限元计算的方法完成。
[0029] 试验模态分析:通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别来获得模态 参数。
[0030] 实施例一
[0031] 图1为本发明实施例一提供的一种有限元模型优化方法，该方法可W由有限元模 型优化装置执行，其中该优化装置可由软件和/或硬件实现，一般可集成在计算机中。
[0032] 参见图1，本实施例的有限元模型优化方法包括如下步骤:步骤S110、通过试验模 态分析方法获取结构的一组固有频率W及相应各阶模态在试验检测点的振形振幅。
[0033] 具体的，在试验模态分析过程中采用激励方法来采集模态参数，所述模态参数有： 结构的固有频率、各阶模态在试验检测点的振形振幅、模态质量、模态向量、模态刚度和模 态阻尼等。在本实施例中，所述试验模态分析方法是指采用地面共振试验的激励方法对结 构进行模态分析，所述地面共振试验是一种利用共振原理在地面测定飞机结构固有振动特 性的试验方法。
[0034] 所述试验模态分析方法大致分为W下几个过程：
[0035] (1)动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析。
[0036] 1)激励方法，试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振 动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方 法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SIS0)、单输入多输出（SIM0)多输 入多输出(ΜΙΜΟ)Ξ种方法。W输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随 机(包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励(包括随机脉冲激励)等。
[0037] 2)数据采集，SIS0方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动 激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIM0及ΜΙΜΟ的方法则要求大量通道数据的 高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。
[0038] 3)时域或频域信号处理，例