CN102930099B - 一种虚实模态对比验证系统 - Google Patents

Abstract

一种虚实模态对比验证系统，包括核心数据结构模块、CAE数据导入模块、试验数据导入模块、三维显示模块，MAC值计算模块，二维MAC矩阵显示模块。核心数据模块实现所有数据的交互并提供计算环境载体；CAE数据导入模块为核心数据结构模块提供CAE模型和虚拟模态试验结果；试验数据导入模块为核心数据模块提供试验测点和试验模态结果；三维显示模块为核心数据结构实现可视化支持；MAC值计算模块利用核心数据模块的数据计算虚实模态对比验证指标参数；MAC值二维矩阵显示模块显示虚实模态结果的相关度。本发明可实现CAE虚拟模态结果与实物模态试验结果的可视化直观对比验证。

Description

一种虚实模态对比验证系统

技术领域

本发明涉及一种虚实模态对比验证系统，适用于航天产品结构设计过程中对产品力学模态性能的虚实结合对比和验证，属虚拟试验技术领域。

背景技术

一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。结构模态分析可以通过模态试验(实物试验)和CAE分析(虚拟试验)两种途径实现。模态试验是航天器大型地面试验之一，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，随着动态测试、分析设备等技术的发展，模态试验可得到比较精确的结构动态特性，如频响函数和模态参数。CAE分析一般采用有限元法，实质上是一种基于离散化的结构动力学分析方法。CAE分析的优势日益显现，分析结果的快速获得使产品设计周期大大缩短。但是考虑到边界条件、参数选择以及非线性等因素的影响，CAE分析精度往往不够高。有效的提高CAE分析精度的方法是将CAE分析结果与试验结果进行比对，在满足一定试验可靠度的前提下，模态试验的结果可作为验证模态计算结果正确性的标准，这种验证通过两者的相关性分析实现。目前虚实模态对比验证系统还未看到公开报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种虚实模态对比验证系统，实现了实物试验结果对虚拟试验结果的对比验证，增强了虚拟测试的全面性和准确性。

本发明的技术解决方案是：

一种虚实模态对比验证系统，包括：核心数据结构模块、CAE数据导入模块、试验数据导入模块、三维显示模块、MAC值计算模块和二维MAC矩阵显示模块；

CAE数据导入模块接收外部输入的飞行器虚拟模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；

试验数据导入模块接收外部输入的飞行器实物模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果，转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；

核心数据结构模块将接收到的数据发送给三维显示模块，三维显示模块将飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果还原成可视化三维图形并且显示出来，同时三维显示模块也将飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果也还原成可视化三维图形并且显示出来；

核心数据结构模块还将收到的数据发送给MAC值计算模块，MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度，并将得到的各阶的相关度发送给二维MAC矩阵显示模块，二维MAC矩阵显示模块将各阶的相关度信息按照矩阵形式显示出来；

所述飞行器虚拟模态试验文件为扩展名为op2的二进制文件。

所述飞行器虚拟模态试验文件中包括针对飞行器在Nastran计算软件中建立的飞行器CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果。

所述实物模态试验文件为UNV格式。

MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度具体通过如下方式进行：

通过公式计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度MAC_ij，其中，为列向量形式的实物模态试验结果，为列向量形式的虚拟模态试验结果，i、j均为模态阶数。

所述CAE数据导入模块对外部输入的飞行器虚拟模态试验文件进行解析，具体为：

(6.1)根据飞行器虚拟模态试验文件中每个数据块的索引信息确定该数据块的类型和该数据块中包含的数据内容，

(6.2)根据每个数据块中的子数据块的索引信息确定该子数据决的类型和该子数据块中包含的数据内容，之后再对每个子数据块进行解析，直到解析出最底层数据块，根据所有最底层数据块可以完整得到飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果；所述最底层数据块为不包括子数据块的数据块.

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可以实现虚拟试验结果与实物试验结果的读入，通过CAE数据导入模块读入虚拟试验数据，包括虚拟试验模型信息和虚拟试验结果信息；通过试验数据导入模块，读入实物试验数据，包括试验模态信息和试验测点信息，为虚实试验对比提供数据支持。

(2)本发明可以实现模态正交性准则计算，建立模态正交性准则计算功能模块，将实物试验模态、虚拟试验模态数据以及模型数据输入功能模块，计算出相应的模态正交性矩阵。通过模态正交性矩阵，分析虚拟试验模态的合理性，从而为试验评估提供数据支持。

(3)本发明可以实现虚实试验对比的可视化三维图形显示，通过可视化三维图形显示，将导入的虚拟试验模型、虚拟试验结果和实物试验测点、实物试验结果数据展现给用户，可以直观的对实物试验数据和虚拟试验数据进行对比。

附图说明

图1为本发明系统构架示意图；

图2为本发明核心数据结构示意图；

图3为本发明CAE数据导入模块示意图；

图4为本发明试验数据导入模块示意图；

图5为本发明三维显示模块示意图；

图6为本发明MAC值计算模块示意图；

图7为本发明二维MAC矩阵显示模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提供了一种虚实模态对比验证系统，用于虚拟试验与实物试验的互相对比，使得用户可以通过实物试验检查虚拟试验模型的正确性，虚拟试验结果的正确性。

如图1所示，包括：核心数据结构模块、CAE数据导入模块、试验数据导入模块、三维显示模块、MAC值计算模块和二维MAC矩阵显示模块；

本发明中核心数据结构主要包括单元，节点，以及结果数据等，用于管理虚拟试验与实物试验的模型和结果，通过一套适合于虚拟试验及实物试验模型和结果的数据结构，在程序中便于存储和访问。网格数据主要由类CMesh来进行管理。CMesh类管理所有与有限元网格相关的数据，包括节点，网格的数据存储和管理，以及显示数据的生成和管理等。有限元结果数据由类CResult进行管理。CResult类管理所有与有限元结果相关的数据。包括所有结果的个数，每个结果的信息，如位移结果，应力结果等，以及结果的数据存储和管理。如图2所示为本发明核心数据结构组成及结构关系示意图。

数据按照其所属类别，存储于相应的数据结构空间中，核心数据结构中有限元网格数据都保存在内存中；有限元结果信息保存在内存中，各结果的数据保存在文件中，只在需要的时候进行访问，并加载至内存中，在进行显示或者计算等处理情况时调用。

本发明中CAE数据导入模块是指针对Nastran求解器软件输出的Op2结果数据进行导入的功能模块。其中的模型数据和结果数据都是由Nastran软件生成，导入模块接收外部输入的飞行器虚拟模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；

CAE数据导入模块接收外部输入的飞行器虚拟模态试验文件并对该文件进行解析具体为：

(a)飞行器虚拟模态试验文件为按数据块存储的二进制数据，每一块数据的索引信息在数据块头中有相应的标记，通常为整数类型和字符类型。每个字符或者整数根据其所处的位置，会有其特定的含义，系统根据这些含义解析相应数据块，并通过每个数据块的索引信息确定该数据块的类型和该数据块中包含的数据内容，

(b)根据每个数据块中的子数据块的索引信息确定该子数据块的类型和该予数据块中包含的数据内容，之后再对每个子数据块进行解析，直到解析出最底层数据块，根据所有最底层数据块可以完整得到飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果；最底层数据块为不包括子数据块的数据块。

CAE数据导入模块采取直接打开文件的方式，顺序读取文件中的数据块，通过关键字比对，查询关键字的意义，按照相关含义导入数据。通过系统内部采用的统一数据结构，将CAE模型相关的单元、节点以及基于该CAE模型的虚拟模态试验计算结果等信息导入到统一的数据结构中，并且支持多模型导入。导入内容包括：节点信息、单元信息、局部坐标信息、边条件信息、结果信息等。如图3所示为CAE数据导入方式及流程示意图。

本发明中的试验数据导入模块主要是针对试验测试设备相关软件输出的试验数据进行导入的功能模块。试验测试设备相关软件输出的试验数据文件格式为unv格式。

试验数据导入模块接收外部输入的飞行器实物模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果，转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；导入内容包括：试验点测点信息导入和试验模态结果信息导入。

unv文件为按数据块存储的文本数据，每一块数据的信息在数据块头中有相应的标记，通常为整数类型和字符类型。每个字符或者整数根据其所处的位置，会有其特定的含义，例如读到字符“2411”表明下面的数据块为节点数据，而读到“2412”的整数表明下面的数据块为单元。导入接口采取直接打开unv文件，逐行读取文件中的文本，通过关键字比对，查询关键字的意义，并按照相关含义导入本系统中定义的核心数据结构中。如图4所示为本发明试验数据导入示意图。

本发明的三维显示模块用于显示虚拟及实物试验模型和模态试验结果数据。本模块采用HOOPS图形引擎来建立。HOOPS组件是建立在OpenGL、Direct3D等图形编程接口之上的更高级别的应用程序框架。应用HOOPS框架，可以快速和相对简单的创建3D可视化应用程序。

核心数据结构模块将接收到的数据发送给三维显示模块，三维显示模块将飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果还原成可视化三维图形并且显示出来，同时三维显示模块也将飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果也还原成可视化三维图形并且显示出来。

三维显示模块所包含的虚拟振动试验结果，主要是指模态分析结果。可以显示虚拟试验结果的云图、数据、动画等。显示模块支持点、线、面的显示；支持符号，文字的三维场景显示；支持三种节点显示方式，包括节点符号、节点编号和节点组；支持两种单元显示方式，包括分类显示和单元组；支持模型剖切、缩放、旋转和平移；支持调节颜色数、放大比例和保存为图片(^＊.jpeg，^＊.bmp)。如图5所示为本发明三维模型显示模块所包含的子功能模块及内容。

三维显示模块的模型显示功能，是指在虚拟振动试验软件上，通过调用HOOPS的某些库函数，按照三角形模式进行渲染，使得用户看到还原出来的完整的三维模型图像。

三维显示模块云图显示功能，程序读取仿真结果到内存中，云图插值算法，主要是根据模型外表面每个三角形上节点的具体结果数值大小，在颜色列表中根据结果数值所落入的范围，进行插值，得到相关的颜色值，用各个节点各自的颜色值绘制结果云图，达到绘制效果，进行颜色渲染，得到结果云图。

三维显示模块的变形图显示功能，是指对于位移结果，由于虚拟试验结果变形微小，肉眼无法分辨出实际的模型变形，因此将模型结果乘以一个确定的放大倍数，各个节点按照位移结果移动相应位置，即显示出模型结果的变形图。

通过上述三种三维图形显示，可以直观的对虚实模态试验模型进行对比。分析虚实试验模型的模型准确性及结果准确性。

本发明的MAC值计算模块是根据模态正交性准则公式，对虚实模态试验结果进行数据处理，得到其MAC值矩阵的功能性模块。核心数据结构模块将收到的数据发送给MAC值计算模块，MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度，并将得到的各阶的相关度发送给二维MAC矩阵显示模块。其计算方式如下：

考虑n个自由度的结构振动，其特征方程有：

([K]-λ_r[M]){Φ^(r)}＝{0}公式1

其中[K]、[M]分别是n×n阶实对称的结构刚度矩阵及质量矩阵，λ_r为结构的第r阶特征值，{Φ^(r)}为结构的第r阶振型。

模态振型构成N×N维向量空间的一组基，利用特征向量的正交性，对质量矩阵进行归一化处理，有：

{Φ^(r)}^T[M]{Φ^(r)}＝1公式2

MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度，具体通过如下方式进行：

第i阶试验振型与第j阶有限元分析所得到的计算振型的振型相关系数按照下式计算：

${\mathrm{MAC}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}^2}{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\left\}\right)\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}$ 公式3

通过上面公式计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度MAC_ij，其中，为列向量形式的实物模态试验结果，为列向量形式的虚拟模态试验结果，其中i、j均为模态阶数。

本发明中，飞行器虚拟模态试验文件为扩展名为op2的二进制文件，一般来讲，是针对飞行器在Nastran计算软件中建立的飞行器CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果输出的文件格式为op2。实物模态试验文件为通用的UNV格式，是一种文本文件。

如图6所示为计算MAC矩阵流程及子功能模块示意图。

本发明的二维MAC矩阵显示模块通过二维图形显示模块，将前面计算得到的MAC矩阵行列数值即各阶模态的相关度信息按照矩阵形式显示出来，绘制二维MAC矩阵图。矩阵的每个元素由一个带有颜色的矩形组成，矩形的绘制可通过确定其左上角未知的点并给出其宽度和高度的一对数字来指定。通过Rectangle结果存储矩形的位置和尺寸，通过Pen类存储有关线条颜色、线条粗细和现行的信息，通过Graphics类绘制矩形。矩阵的横坐标为试验模态阶数，纵坐标为仿真模态阶数。图形的颜色条显示从低到高不同的模态正交性数值对应的颜色。而每个矩阵模块对应的颜色根据相应的数值从颜色库中取得，并显示绘制到屏幕上。如图7所示为二维MAC矩阵显示模块结构示意图。

Claims (4)

1.一种虚实模态对比验证系统，其特征在于包括：核心数据结构模块、CAE数据导入模块、试验数据导入模块、三维显示模块、MAC值计算模块和二维MAC矩阵显示模块；

CAE数据导入模块接收外部输入的飞行器虚拟模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；

试验数据导入模块接收外部输入的飞行器实物模态试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果，转换成核心数据结构模块中预设的数据结构所要求的格式，并将转换之后的数据发送给核心数据结构模块，核心数据结构模块将接收到的数据存储在内存中；

核心数据结构模块将接收到的数据发送给三维显示模块，三维显示模块将飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果还原成可视化三维图形并且显示出来，同时三维显示模块也将飞行器的试验测点信息和基于所述测点的实物模态试验结果也还原成可视化三维图形并且显示出来；

核心数据结构模块还将收到的数据发送给MAC值计算模块，MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度，并将得到的各阶的相关度发送给二维MAC矩阵显示模块，二维MAC矩阵显示模块将各阶的相关度信息按照矩阵形式显示出来；

三维显示模块在虚拟振动试验软件上，通过调用HOOPS的库函数，按照三角形模式进行渲染，使得用户看到还原出来的完整的三维模型图像；

三维显示模块根据模型外表面每个三角形上节点的具体结果数值大小，在颜色列表中根据结果数值所落入的范围，进行插值，得到相关的颜色值，用各个节点各自的颜色值绘制结果云图，达到绘制效果，进行颜色渲染，得到结果云图；

三维显示模块将模型结果乘以一个放大倍数，各个节点按照位移结果移动相应位置，即显示出模型结果的变形图；

所述CAE数据导入模块对外部输入的飞行器虚拟模态试验文件进行解析，具体为：

(1)根据飞行器虚拟模态试验文件中每个数据块的索引信息确定该数据块的类型和该数据块中包含的数据内容，

(2)根据每个数据块中的子数据块的索引信息确定该子数据块的类型和该子数据块中包含的数据内容，之后再对每个子数据块进行解析，直到解析出最底层数据块，根据所有最底层数据块可以完整得到飞行器的CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果；所述最底层数据块为不包括子数据块的数据块；

所述飞行器虚拟模态试验文件为扩展名为op2的二进制文件。

2.根据权利要求1所述的一种虚实模态对比验证系统，其特征在于：所述飞行器虚拟模态试验文件中包括针对飞行器在Nastran计算软件中建立的飞行器CAE模型以及基于该CAE模型的虚拟模态试验结果。

3.根据权利要求1所述的一种虚实模态对比验证系统，其特征在于：所述实物模态试验文件为UNV格式。

4.根据权利要求1所述的一种虚实模态对比验证系统，其特征在于：MAC值计算模块计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度具体通过如下方式进行：

通过公式计算出虚拟模态试验结果和实物模态试验结果之间的各阶的相关度MAC_ij，其中，为列向量形式的实物模态试验结果，为列向量形式的虚拟模态试验结果，i、j均为模态阶数。