CN103593518B - 一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统 - Google Patents

Abstract

一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，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矩阵计算模块、三维MAC矩阵显示模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块。本发明实现了有限元分析结果和试验结果的对比验证和有限元模型修正，提高了模型修正效率，增强了虚拟测试的全面性和准确性。

Description

一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统

技术领域

本发明涉及一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，适用于航天产品结构设计过程中对有限元模型进行修正，属于虚拟试验技术领域。

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）和有限元分析（虚拟试验）两种途径实现。模态试验是航天器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姿控系统设计使用。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模态参数。但是，受到研制成本和周期的限制，传统地面试验难以验证全部飞行试验状态，而有限元分析又存在模型建立过程中的拓扑结构、材料属性、载荷、约束条件和模型维数缩减等误差，导致分析结果精度难以保证。工程上，一般利用有限的试验数据对有限元模型进行修正，然后基于修正后模型预示更多的试验状态。

已受理国家发明专利《一种虚实模态对比验证系统》(专利受理号：201210428672.3)实现了模态虚拟试验结果与实物试验结果的定性和定量对比，但是没有模型修正的功能。因此，需要建立一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，得到精确的有限元模型，从而预示更多的试验状态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于试验数据的飞行器模态模型修正系统，实现了有限元分析结果和试验结果的对比验证和有限元模型修正，，提高了模型修正效率,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为：一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，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矩阵计算模块、三维MAC矩阵显示模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块；

核心数据结构模块，接收CAE数据导入模块和试验数据导入模块的虚拟和实物试验数据，并将所述虚拟和实物试验数据存储在内存中，供三维显示模块、MAC矩阵计算模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块调用；

CAE数据导入模块，接收外部输入的飞行器模态虚拟试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的有限元模型(含单元属性和材料特性)以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果（含固有频率和阵型）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，并将转换之后的有限元模型和虚拟试验结果发送给核心数据结构模块；

试验数据导入模块，接收外部输入的飞行器模态实物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（含固有频率和阵型），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，并将转换之后的试验模型和结果数据发送给核心数据结构模块；

三维显示模块，将飞行器的有限元模型以及基于有限元模型的模态虚拟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还原成可视化三维图形并且显示出来；

MAC矩阵计算模块，根据虚拟和实物试验数据计算出模态虚拟试验结果和模态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）矩阵供三维MAC矩阵显示模块和模型修正模块调用；

三维MAC矩阵显示模块，将各阶的相关性信息按照矩阵形式显示出来；

有限元模型更新求解模块，调用核心数据结构模块的有限元模型数据，接受模型修正模块发来的修正参数，然后设置模态分析的模态阶数、频率起止范围，选择Lanczos法作为求解算法，生成Nastran标准的输入文件（.bdf），即有限元模型文件；利用“Nastran.exe*.bdf”命令调用Nastran进行有限元分析求解，得到模态虚拟试验结果文件（.op2）；最后调用CAE数据导入模块把有限元模型和虚拟试验结果导入到核心数据结构模块中；

模型修正模块，能根据虚实模态试验结果的差异对有限元模型进行自动修正，以满足工程对有限元模型精度的要求。首先调用MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵，筛选出核心数据结构模块中虚拟试验的可用模态，并调用核心数据结构模块中有限元模型的单元属性和材料特性设置修正参数，然后由核心数据模块中的虚实固有频率和MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵构造目标函数；利用IMSL数学函数库提供的优化模块，调用有限元模型更新求解模块、CAE数据导入模块、核心数据模块、MAC矩阵计算模块对有限元模型进行修正迭代求解，直到满足修正结束判据完成有限元模型修正。

所述模型修正模块中对有限元模型进行修正迭代求解过程可分为不完备试验数据处理，修正参数设定、目标函数计算、修正求解以及模型确认5个步骤，具体为：

（1.1）不完备试验数据的处理

试验模态不完备主要指试验模态只包含低阶模态或缺失部分低阶模态，针对试验模态不完备情况，调用MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵，根据MAC值的大小从虚拟试验结果中筛选出匹配的模态进行模型修正；

（1.2）修正参数设定

修正参数设定从核心数据结构模块得到的材料特性和单元属性中选取修正参数，并设定初值和上下限；

（1.3）目标函数计算

目标函数J₂取前n阶的固有频率相对误差和振型向量之间的MAC相对误差进行加权平方和，其值为：

$J_2={\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}+{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{\ωi}}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ωi}}\right)}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{\Φi}}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φi}}\right)}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ωi}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_i^a-{\mathrm{\ω}}_i^e}{{\mathrm{\ω}}_i^e}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φi}}=\frac{1-\mathrm{MAC}(i,i)}{\mathrm{MAC}(i,i)}$

式中，为固有频率总相对误差，为阵型总相对误差，为第i阶固有频率相对误差，为第i阶阵型相对误差，和分别为第i阶虚拟试验和实物试验结果的固有频率，MAC(i,i)由MAC矩阵计算模块得到，N_ωi和N_Φi分别为第i阶固有频率误差和阵型误差的权重；对于N_ωi和N_Φi的取值，主要根据试验模态分析中各模态参数的识别精度选择0～1之间的数；

（1.4）修正求解

根据（1.2）设定的修正参数和（1.3）设定的目标函数，利用IMSL库优化包的拟牛顿法给出新的修正参数值并加载到修正模块中，驱动有限元模型更新求解模块得到新的有限元模型和虚拟试验结果，经CAE导入模块传递给核心数据结构模块，经MAC矩阵计算模块得到新的MAC矩阵；返回（1.3）重新计算目标函数，然后重复上述过程，直到满足修正结束判据结束修正；

（1.5）模型确认

根据修正后的有限元模型和虚拟试验结果，确认模型修正的合理性。

所述飞行器模态虚拟试验文件为扩展名为op2的二进制文件。

所述飞行器模态虚拟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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果。

所述实物模态试验文件为unv格式。

所述MAC矩阵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性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性，其中，为列向量形式的模态实物试验结果，为列向量形式的模态虚拟试验结果，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模态虚拟试验文件进行解析，具体为：

（6.1）根据飞行器模态虚拟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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果；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）本发明可以基于模态试验数据对飞行器模型进行修正，相比传统方法能对有限元模型进行自动修正，从而得到更准确的有限元模型，增强了虚拟测试的全面性和准确性，为飞行器的准确飞行打下的基础。

（2）本发明可以对有限元模型进行参数化驱动求解，从而为模型修正流程的自动化提供了技术保障，也进一步增强了虚拟测试的全面性和准确性。

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模块示意图；

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矩阵计算模块示意图；

图7为本发明三维MAC矩阵显示模块示意图；

图8为本发明有限元模型更新求解模块示意图；

图9为本发明模型修正模块示意图。

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。

本发明提供了一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，如图1所示，用于虚拟试验与实物试验的互相对比和对有限元模型的修正，使得用户可以通过实物试验检查有限元模型的正确性，并对有限元模型进行修正，得到更准确的有限元模型。该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矩阵计算模块，三维MAC矩阵显示模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块。

本发明中核心数据结构模块主要包括单元，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。虚拟试验结果数据由类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模块组成及结构关系示意图。

核心数据结构模块的数据结构设计：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模型数据和试验模型都保存在内存中；有限元结果信息和模型匹配表格皆保存在内存中，虚拟试验和实物试验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模态虚拟试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的有限元模型以及基于该模型的模态虚拟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模态虚拟试验文件并对该文件进行解析具体为：

（a）飞行器模态虚拟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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果；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，将有限元模型相关的单元、节点以及基于该有限元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：试验点测点信息和模态试验结果信息。

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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟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模态实物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，程序读取虚拟试验结果到内存中，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矩阵计算模块是根据模态置信准则公式，对虚实模态试验结果进行数据处理，得到其MAC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矩阵计算模块，MAC矩阵计算模块计算出模态虚拟试验结果和模态实物试验结果之间的各阶的相关性，并将得到的各阶的相关性发送给三维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：

$\left(\right[K]-{\mathrm{\λ}}_r[M\left]\right)\left\{{\mathrm{\Φ}}^{\left(r\right)}\right\}=\left\{0\right\}$ 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：

${\left\{{\mathrm{\Φ}}^{\left(r\right)}\right\}}^T\left[M\right]\left\{{\mathrm{\Φ}}^{\left(r\right)}\right\}=1$ 公式2

MAC矩阵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性，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性按照下式计算：

${\mathrm{MAC}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}^2}{\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_i^e\left\}\right)\left({\left\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\right\}}^T\right\{{\mathrm{\Φ}}_j^a\left\}\right)}$ 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性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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟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。

本发明的三维MAC矩阵显示模块，将MAC矩阵计算模块得到的二维MAC矩阵行列数值即各阶模态的相关性信息按照矩阵形式显示出来，绘制三维模态置信准则矩阵图。矩阵的每个元素由一个带有颜色的长方体组成，长方体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Cuboid结果存储长方体的位置和尺寸，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类绘制长方体。长方体的x坐标为试验模态阶数，y坐标为虚拟试验模态阶数，z坐标为MAC值。图形的颜色条显示从低到高不同的模态相关性数值对应的颜色。而每个长方体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所示为三维MAC矩阵显示模块结构示意图。

本发明的有限元模型更新求解模块能根据修正参数生成新的模型文件并驱动有限元求解器Nastran进行求解，如图8所示。模块调用核心数据结构模块的有限元模型数据，接受模型修正模块发来的修正参数，然后设置模态分析的模态阶数、频率起止范围，选择Lanczos法作为求解算法，生成Nastran标准的输入文件（.bdf），即有限元模型文件；利用“Nastran.exe*.bdf”命令调用Nastran进行有限元分析求解，得到模态虚拟试验结果文件（,op2）；最后调用CAE数据导入模块把有限元模型和虚拟试验结果导入到核心数据结构模块中。

本发明的模型修正模块能根据模态试验数据对有限元模型进行修正，达到提高有限元模型精度的目的。如图9所示为模型修正结构框图。

主要的内容包括：

（a）不完备试验数据的处理

试验模态不完备主要指试验模态只包含低阶模态或缺失部分低阶模态。针对试验模态不完备情况，调用MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵，根据MAC值的大小从虚拟试验结果中筛选出匹配的模态进行模型修正。

（b）修正参数设定

选择结构模型中需要修正的物理参数是个比较困难的问题，特别是有限的测量数据使得修正的参数个数不可能太多。选择修正参数时主要根据其特征灵敏度的大小或者根据建模误差定位的方法，选择结构中重要构件的结构物理参数作为修正的变量，由此选定其中若干个参数作为结构模型修正的变量，并设定初值和上下限。

（c）目标函数计算

目标函数J₂取前n阶的固有频率相对误差和振型向量之间的MAC相对误差进行加权平方和，其值为：

$J_2={\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}+{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{\ωi}}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ωi}}\right)}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{\Φi}}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φi}}\right)}^2$ 公式4

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ωi}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_i^a-{\mathrm{\ω}}_i^e}{{\mathrm{\ω}}_i^e}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φi}}=\frac{1-\mathrm{MAC}(i,i)}{\mathrm{MAC}(i,i)}$

式中，为固有频率总相对误差，为阵型总相对误差，为第i阶固有频率相对误差，为第i阶阵型相对误差，和分别为第i阶虚拟试验和实物试验结果的固有频率，MAC(i,i)由调用MAC矩阵计算模块得到，N_ωi和N_Φi分别为第i阶固有频率误差和阵型误差的权重，取值在0～1之间。

对于目标函数权重的取值，主要取决于试验模态分析中各模态参数的识别精度。一般地，固有频率的识别精度要大于振型向量。由于在试验中结构模型的激励方向差别，因此以激励方向为主的实测振型的可靠度要大于其它实测振型向量。

（d）修正求解

模型修正模块采用IMSL工具包的拟牛顿法对有限元模型进行修正。系统通过集成IMSL的优化模块，根据目标函数对有限元模型进行修正求解，得到修正后的参数值，加载到修正模块并驱动有限元模型更新求解模块得到新的有限元模型和虚拟试验结果数据，经CAE导入模块传递给核心数据结构模块，经MAC矩阵计算模块得到新的MAC矩阵；返回（c）重新计算目标函数，然后重复上述过程，直到满足修正结束判据结束修正。

调用IMSL优化模块方法为：

①加入INCLUDE'link_fnl_static.h'到主程序中。

②加入合适的use语句，如下：

useIMSL

uselin_sol_gen_int

userand_gen_int

useerror_option_packet

③调用IMSL中的f_min_uncon_multivar函数与其它模块一起，完成有限元模型修正功能。模型修正的整个迭代流程持续到满足修正结束判据为止。修正结束判据设为两次模型修正的目标函数最大相对误差值在0.5%～5%之间，迭代次数上限在10～100之间。

（e）模型修正参数确认

最后通过试验数据检验修正的模型是否正确，检验修正模型能否准确预示结构修改后的动力学特性，以验证修正模型的正确性。

Claims (7)

1.一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，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矩阵计算模块、三维MAC矩阵显示模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块；

核心数据结构模块，接收CAE数据导入模块和试验数据导入模块的虚拟和实物试验数据，并将所述虚拟和实物试验数据存储在内存中，供三维显示模块、MAC矩阵计算模块、有限元模型更新求解模块和模型修正模块调用；

CAE数据导入模块，接收外部输入的飞行器模态虚拟试验文件并对该文件进行解析，将解析得到的飞行器的有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟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，并将转换之后的有限元模型和虚拟试验结果发送给核心数据结构模块；

试验数据导入模块，接收外部输入的飞行器模态实物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，并将转换之后的结果数据发送给核心数据结构模块；

三维显示模块，将飞行器的有限元模型以及基于有限元模型的模态虚拟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；

MAC矩阵计算模块，根据虚拟和实物试验数据计算出模态虚拟试验结果和模态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矩阵供三维MAC矩阵显示模块和模型修正模块调用；

三维MAC矩阵显示模块，将各阶模态的相关性信息按照矩阵形式显示出来；

有限元模型更新求解模块，调用核心数据结构模块的有限元模型数据，接收模型修正模块发来的修正参数，然后设置模态分析的模态阶数、频率起止范围，选择Lanczos法作为求解算法，生成Nastran标准的输入文件，即有限元模型文件；利用“Nastran.exe*.bdf”命令调用Nastran进行有限元分析求解，得到模态虚拟试验结果文件；最后调用CAE数据导入模块把有限元模型和虚拟试验结果导入到核心数据结构模块中；

模型修正模块，能根据虚实模态试验结果的差异对有限元模型进行自动修正，以满足工程对有限元模型精度的要求，首先调用MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵，筛选出核心数据结构模块中虚拟试验的可用模态，并调用核心数据结构模块中有限元模型的单元属性和材料特性设置修正参数，然后由核心数据模块中的虚实固有频率和MAC矩阵计算模块得到MAC矩阵构造目标函数；利用IMSL数学函数库提供的优化模块，调用有限元模型更新求解模块、CAE数据导入模块、核心数据模块、MAC矩阵计算模块对有限元模型进行修正迭代求解，直到满足修正结束判据完成有限元模型修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：所述模型修正模块中对有限元模型进行修正迭代求解过程可分为不完备试验数据处理，修正参数设定、目标函数计算、修正求解以及模型确认5个步骤，具体为：

(1.1)不完备试验数据的处理

试验模态不完备指试验模态只包含低阶模态或缺失部分低阶模态，针对试验模态不完备情况，调用MAC矩阵计算模块得到的MAC矩阵，根据MAC值的大小从虚拟试验结果中筛选出匹配的模态进行模型修正；

(1.2)修正参数设定

修正参数设定从核心数据结构模块得到的材料特性和单元属性中选取修正参数，并设定初值和上下限；

(1.3)目标函数计算

目标函数J₂取前n阶的固有频率相对误差和振型向量之间的MAC相对误差进行加权平方和，其值为：

$J_2={\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}+{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_{\mathrm{\ω}i}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}i}\right)}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}}=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_{\mathrm{\Φ}i}{\left({\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}i}\right)}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\ω}i}=\frac{{\mathrm{\ω}}_i^a-{\mathrm{\ω}}_i^e}{{\mathrm{\ω}}_i^e}$

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{\Φ}i}=\frac{1-MAC(i,i)}{MAC(i,i)}$

式中，为固有频率总相对误差，为阵型总相对误差，为第i阶固有频率相对误差，为第i阶阵型相对误差，和分别为第i阶虚拟试验和实物试验结果的固有频率，MAC(i,i)由MAC矩阵计算模块得到，N_ωi和N_Φi分别为第i阶固有频率误差和阵型误差的权重；对于N_ωi和N_Φi的取值，主要根据试验模态分析中各模态参数的识别精度选择0～1之间的数；

(1.4)修正求解

根据(1.2)设定的修正参数和(1.3)设定的目标函数，利用IMSL库优化包的拟牛顿法给出新的修正参数值并加载到修正模块中，驱动有限元模型更新求解模块得到新的有限元模型和虚拟试验结果，经CAE导入模块传递给核心数据结构模块，经MAC矩阵计算模块得到新的MAC矩阵；返回(1.3)重新计算目标函数，然后重复(1.3)过程，直到满足修正结束判据结束修正；

(1.5)模型确认

根据修正后的有限元模型和虚拟试验结果，确认模型修正的合理性。

3.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：所述飞行器模态虚拟试验文件为扩展名为op2的二进制文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：所述飞行器模态虚拟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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果。

5.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：所述实物模态试验文件为unv格式。

6.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：MAC矩阵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性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性MAC_ij，其中，为列向量形式的模态实物试验结果，为列向量形式的模态虚拟试验结果，i、j均为模态阶数。

7.根据权利要求1所述的一种基于模态试验数据的飞行器模型修正系统，其特征在于：所述CAE数据导入模块对外部输入的飞行器模态虚拟试验文件进行解析，具体为：

(6.1)根据飞行器模态虚拟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有限元模型以及基于该有限元模型的模态虚拟试验结果；所述最底层数据块为不包括子数据块的数据块。