CN105260581B - 舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，建立设备几何模型；建立有限元模型；在有限元模型上施加边界条件，确定模态分析的方法，设置模态分析的频率范围基础上进行虚拟模态试验；在有限元模型上施加边界条件，确定振动谐响应分析的方法、设置振动分析的频率范围基础上进行虚拟振动试验；在定义元器件之间的接触类型和接触参数，在有限元模型上施加边界条件和冲击载荷基础上进行虚拟冲击试验；结合机电控制设备动态特性的试验测试结果，调整参数进行虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试数据之间的误差满足要求。可以快速、便捷预报机电控制设备的振动、冲击响应特征，通过设备动态性能优化设计，揭示机电控制设备的设计隐患。

Description

舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法

技术领域

本发明涉及一种产品虚拟仿真技术，特别涉及一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法。

背景技术

舰船机电控制设备在服役过程中，不可避免将遭受炸弹、导弹、鱼雷、水雷等武器的攻击，承受水中瞬态冲击波及气泡脉动压力等非接触冲击。在强冲击作用下，舰船机电设备将出现冲击应力应变、冲击响应位移超标等现象，这些都将导致舰船机电设备出现破坏、功能失效甚至造成战斗力丧失等严重后果。此外，随着计算机技术的发展，有限元法进行结构动力学分析计算已经得到广泛的应用。但是，运用有限元法对舰船机电控制设备开展结构冲击以及隔冲性能分析的相关方法仍然很缺乏、也存在诸多困难。其难点主要有：大部分机电控制设备是弹性安装，弹性装置尤其是钢丝绳减振器的有限元建模存在很多不确定性因素；机电控制设备中元器件与导轨、箱体与减振器之间的连接方式均为非线性连接，接触类型以及接触参数的确定存在一定困难。

舰船机电控制设备包括配电箱、电控箱、控制面板等，他们广泛地分布在舰船各个舱室和位置，起到控制机电设备的正常启动、停止以及运行状态。可以说，机电控制设备的冲击环境适应性关系到机电设备功能的发挥，甚至影响舰船系统的正常工作及作战性能。传统的虚拟试验技术大都忽略舰船机电控制设备中的非线性接触和连接形式，而元器件的结构形式的简化以及元件器之间的连接方式的处理对虚拟试验结果又有较大影响。此外，更多传统虚拟试验技术简单地把机电控制设备模化成箱体、甚至是刚性集中质量块，这对设备振动、冲击动态特性的模拟上存在较大缺陷和显著误差。

以往虚拟试验技术只能对舰船机电设备的某一特定型号、产品的动态特性进行仿真分析，所建立的虚拟仿真模型不适用于其他产品。对不同的机电控制设备开展虚拟试验，即机电设备的结构尺寸、材料参数、边界和载荷条件或者分析控制和结果后处理要求有所改变，需要重复进行有限元建模、参数设置和分析控制的过程，这大大限制了虚拟试验技术产品动态性能分析的计算效率和应用范围。

发明内容

本发明是针对现在舰船机电控制设备虚拟试验技术存在的问题，提出了一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，提出了基于有限元参数化设计语言的控制设备的建模、有限元计算和结果处理方法的仿真技术。参数化有限元虚拟模型适用于其他不同结构形式、不同工作状态的机电控制设备的振动、冲击虚拟试验，可以简单快捷地实现虚拟再试验，将大大提高舰船机电控制设备虚拟仿真计算的效率。

本发明的技术方案为：一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，具体包括如下步骤：

1）建立设备几何模型：依据舰船机电控制设备的结构形式，简化结构复杂而对设备振动、冲击性能影响不大的构件、元件或连接形式；再用参数化设计语言生成机电控制设备的点、线、面和体特征，并进行相应的加、减、合并和粘结特征处理以及进行移动、复制、旋转和镜像几何模型处理，直至生成机电控制设备的参数几何模型；

2）建立有限元模型：依据机电控制设备中结构的材料类型、实参数，收集各种结构的材料力学参数，再结合机电控制设备结构的复杂程度、计算时间、结果精度，确定有限元建模中选择的单元类型、网格划分形式；

3）虚拟模态试验：在步骤2）有限元模型上施加边界条件，确定模态分析的方法，设置模态分析的频率范围和模态阶数，设定计算结果后处理参数，最后提交计算求解；

4）虚拟振动试验：在步骤2）有限元模型上施加边界条件，确定振动谐响应分析的方法、设置振动分析的频率范围、设定计算结果后处理参数，最后提交计算求解；

5）虚拟冲击试验：在定义元器件之间的接触类型和接触参数，在步骤2）有限元模型上施加边界条件和冲击载荷，设置冲击计算的时间、计算结果输出的步数，生成机电控制设备冲击计算的k文件，提交非线性动力学分析软件LS_DYNA进行冲击计算，对计算结果进行后处理输出；

6）舰船机电控制设备虚拟振动和冲击再试验：结合机电控制设备动态特性的试验测试结果，并通过对参数化有限元模型的修改，开展不同几何模型、不同材料参数及不同工况的机电控制设备的虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试数据之间的误差满足要求。

所述步骤3）中的模态分析的方法可选分块Lanczos法、子空间法、缩减法、非对称法、阻尼法以及QR阻尼法中的任意一种。

所述步骤3）中的模态分析的频率范围和所需要计算的模态阶数依据用户的需求设置。

所述步骤3）中的有限元模型模态分析为线性分析，分析前模型中的非线性连接方式需要转化成线性单元和线性连接。

所述步骤4）中的振动谐响应分析的方法可选缩减法、完全法以及模态叠加法中的任意一种。

所述步骤4）中的振动分析的频率范围依据用户的需求设置.

所述步骤4）中的振动谐响应分析为线性分析，分析前模型中的非线性单元、非线性接触需要转化成线性单元和线性连接。

所述步骤5）中的元器件之间的接触方式有：点-面接触、线-面接触和面-面接触等，接触面的参数有接触刚度和摩擦系数。

所述步骤5）中的冲击载荷的幅度和施加部位根据设备的实际工况和用户需求来确定。

本发明的有益效果在于：本发明舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，可以快速、便捷预报机电控制设备的振动、冲击响应特征，弥补传统振动、冲击环境试验的不足，并通过设备动态性能优化设计，揭示机电控制设备的设计隐患，缩短研制周期，降低研制费用，提高设备的环境适应性能力设计的水平。

附图说明

图1为本发明舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法流程图。

具体实施方式

如图1所示舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法流程图，具体包括如下步骤：

1、舰船机电控制设备虚拟试验前准备：

舰船机电控制设备虚拟仿真试验对计算机硬件的要求如下：

高性能处理器，宜选择Pentium III以上CPU；内存512MB以上；硬盘可用空间大于10GB；显卡支持分辨率1024×768像素以上、32bit真彩色；显示器宜17in以上。

舰船机电控制设备虚拟仿真试验要求虚拟仿真软件（包括有限元模型前处理、有限元求解和结果后处理软件）能有效构建、分析和修改舰船机电控制设备的虚拟样机。其功能要求为：参数化壳体和实体建模；连接界面和边界条件的设定和处理；动态分析，包括静力学分析和谐响应分析；显示和隐式动力学计算；虚拟仿真结果的显示、存储、检索和处理。

目前还没有单一商业有限元软件满足以上所有功能要求，因此采用多种仿真软件联合的方式实现舰船机电控制设备虚拟样机的构建、分析和修改。本发明采用三维建模软件Pro/Engineer建立设备几何模型，利用软件ANSYS Workbench 中的Design Modeler模块对设备几何模型进行简化和处理，再把简化的几何模型在有限元软件ANSYS APDL中进行材料属性设置、网格划分、接触设置形成舰船机电控制设备的虚拟振动、冲击模型。设备虚拟振动试验的前处理、数值计算以及计算结果后处理直接在ANSYS中的谐响应分析模块中进行，而虚拟冲击试验中对设备的边界条件和载荷条件的处理在软件Hypermesh中进行，虚拟冲击计算在非线性动力学分析软件LS-DYNA中进行，冲击计算结果的后处理和显示在软件LS-Prepost中进行。

2、舰船机电控制设备虚拟试验：

在完成舰船机电控制设备虚拟试验的硬件和软件准备工作之后，依次开始建立设备的几何模型，划分网格形成设备的有限元模型，分别设置虚拟模态试验、虚拟振动试验和虚拟冲击试验分析类型的所需的计算和后处理参数，最终编制形成编制形成舰船机电控制设备虚拟振动、冲击试验参数化有限元模型。

具体的实施方式如下：

几何模型的建立方面，依据舰船机电控制设备的结构形式，简化设备结构以利于开展有限元网格划分和动态计算，即简化结构复杂而对设备振动、冲击性能影响不大的构件、元件或连接形式，如删除尺寸较小的倒角、圆角和修补破损结构等。用参数化设计语言生成机电控制设备的点、线、面和体特征，并进行相应的加、减、合并和粘结等特征处理以及进行移动、复制、旋转和镜像等几何模型处理，直至生成机电控制设备的参数几何模型。此外，电控箱内部的一些结构十分复杂的电子元器件，但其重量和尺寸均不大，且这些元器件对整体动态特性的影响又微乎其微，因此没必要完全按照这些元器件实物来建其有限元模型。几何建模的每一个操作步骤在有限元软件中均有相应的参数化命令，因此可以把几何建模的全过程写入有限元模型的参数化程序当中。

有限元建模方面，依据机电控制设备中结构的材料类型、实参数，收集各种结构的材料力学参数，如弹性模量、密度、泊松比、屈服强度和抗拉强度等，并写入有限元模型的参数化程序当中。结合机电控制设备结构的复杂程度、计算时间、结果精度，确定有限元建模中选择的单元类型、网格划分形式等。对于单元类型，一维单元主要有Mass、Link和Beam等类型，二维单元主要有Shell和Plate等，三维实体单元主要有Brick Solid和Tet Solid等。对于实体单元，网格划分的形式主要有八节点六面体单元、四节点四面体单元和二十节点六面体单元等。依据机电控制设备结构尺寸和计算结果精度要求，控制网格尺寸，划分并形成设备的有限元网格。

有限元模型中部件以及部件之间的接触方面，从结构强度、动态刚度等力学性能的等效性角度出发，分析机电控制设备中的联接构件、电子元器件等构件或非接触连接是否可以等效简化，这样简化处理，不但能提高非线性显示动力学计算效率，还能保证计算过程的收敛性。如机电控制设备中螺栓、铰链结构等非线性元件可以采用杆单元或者钢化区域等简单单元来代替，这样在不影响电控箱整体强度和动态刚度的前提下大大提高了虚拟试验模型计算的效率。因此可以用结构简单的体元或面元来简化这些元器件。把有限元模型部件的处理过程转化成参数化程序。

虚拟模态分析方面，具体的实施方式依次为在有限元模型上施加边界条件，确定模态分析的方法，设置模态分析的频率范围和模态阶数，设定计算结果后处理参数，最后提交确定方法中计算求解。虚拟模态分析中的约束和载荷应视机电控制设备的实际工况来决定是否设置。模态分析的方法主要有分块Lanczos法、子空间法、缩减法、非对称法、阻尼法以及QR阻尼法等。模态分析的频率范围和所需要计算的模态阶数依据用户的需求设置。模态分析在求解机电控制设备固有频率的同时，可以得到每一个固有频率对应的振型，它可以通过后处理参数的设置获取。值得指出的是有限元模态分析属于线性分析，模型中的接触等非线性连接方式不能被有限元软件识别，因此在开展虚拟模态试验时，务必把非线性单元、非线性接触等转化成线性单元和线性连接。虚拟模态试验的每一个操作步骤在有限元软件中均有相应的参数化命令，因此可以把虚拟模态试验的全过程写入有限元模型的参数化程序当中。

虚拟振动试验方面，具体的实施方式依次为在有限元模型上施加边界条件，确定振动谐响应分析的方法、设置振动分析的频率范围、设定计算结果后处理参数，最后提交确定方法中计算求解。虚拟振动试验中的约束视机电控制设备的安装方式而定，载荷应视设备的实际工况而定。振动谐响应分析的方法主要有缩减法、完全法以及模态叠加法等，振动分析的频率范围依据用户的需求设置。谐响应分析可以得到节点位移、速度和加速度频响函数，也可以得到单元的应力、应变等信息。与虚拟模态试验相同，虚拟振动试验也基于线性分析理论，在开展虚拟振动试验时，务必把非线性单元、非线性接触等转化成线性单元和线性连接。虚拟模态试验的每一个操作步骤在有限元软件中均有相应的参数化命令，因此可以把虚拟模态试验的全过程写入有限元模型的参数化程序当中。

虚拟冲击试验方面，具体的实施方式依次为在定义元器件之间的接触类型和接触参数，在有限元模型上施加边界条件和冲击载荷，设置冲击计算的时间、计算结果输出的步数，生成机电控制设备冲击计算的k文件，提交非线性动力学分析软件LS_DYNA进行冲击计算，对计算结果进行后处理输出。虚拟冲击试验中的元器件之间的接触方式主要有：点-面接触、线-面接触和面-面接触等，接触面的参数主要有接触刚度和摩擦系数。冲击载荷的幅度和施加部位应视设备的实际工况和用户需求来确定。虚拟冲击试验可以得到节点位移、速度和加速度时程结果，也可以得到单元的应力、应变时程信息等结果。虚拟冲击试验的接触设置、边界条件和载荷施加，计算时间和结果输出控制在有限元软件中均有相应的参数化命令，因此可以把虚拟冲击试验的全过程写入有限元模型的参数化程序当中。

虚拟模态试验、虚拟振动试验、虚拟冲击试验相互独立。

3、舰船机电控制设备虚拟振动和冲击再试验：

结合机电控制设备动态特性的试验测试结果，并通过对参数化有限元模型的修改，开展不同几何模型、不同材料参数及不同工况的机电控制设备的虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试数据之间的误差满足要求。

一旦编制形成舰船机电控制设备虚拟振动、冲击试验参数化有限元模型之后，可以简单、快速地把该参数化有限元模型推广到处于其他工况的机电控制设备或者其他型号设备的虚拟振动、冲击试验当中。以材质不同，其他参数完全相同的设备A和设备B为例，假定机电控制设备A的有限元模型已经通过命令流语言设计成参数化程序并开展了虚拟试验，则只需修改程序中的材质部分的参数，即可得到设备B的参数化有限元模型，把该参数化模型提交有限元软件，并可以快速地实现机电控制设备的虚拟试验和虚拟再试验。同样地，对于结构尺寸、安装刚度、元器件布置形式或元器件接触方式不同的两个设备，通过修改响应的模型参数就可以快速实现虚拟试验。

很多时候，搭建的舰船机电控制设备虚拟仿真试验结果并不能环境试验结果相吻合，为了准确描述设备真实的动态性能，需要通过不断调整模型参数，通过大量的虚拟试验。传统环境试验中，每当设备的一个参数调整，则需要重建设计模型、重复安装并进行环境试验，这需要耗费大量的人力物力。而参数化虚拟仿真试验则只需要通过简单地修改程序参数便可以实现虚拟再试验，直至虚拟仿真试验结果与环境测试结果吻合，准确描述机电控制设备的动态性能。

传统的振动、冲击环境试验，尤其是针对大型舰船机电设备的冲击试验，由于试验费用昂贵、试验周期长等缺点，并不适宜在所有舰船设备抗冲击性分析和检测中应用。虚拟振动、冲击试验技术通过建立设备虚拟冲击样机，可以预测元器件结构应力、复杂结构动态响应特征等传统试验无法得到的动态特征信息，可以环境条件限制随时随地开展虚拟振动、冲击试验，可以高效、全面并且低成本地预报舰船机电设备的冲击环境及环境适应性能力。此外，本发明采用参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等有限元参数化设计语言，编写参数化的用户程序，从而实现机电控制设备参数化有限元建模和计算分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。参数化虚拟仿真模型可以简单地实现任意次数的虚拟再试验，即当虚拟试验结果与试验测试结果存在较大偏差时，不断修改设备结构尺寸和有限元模型参数，高效、快速、重复地进行虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试结果吻合。最后，利用机电控制设备参数化有限元模型，可以通过对单一或多种参数不断调整，进行设备动态优化设计。因此，本发明形成的机电控制设备虚拟振动、冲击试验技术，可以快速、便捷预报机电控制设备的振动、冲击响应特征，弥补传统振动、冲击环境试验的不足，并通过设备动态性能优化设计，揭示机电控制设备的设计隐患，缩短研制周期，降低研制费用，提高设备的环境适应性能力设计的水平。

Claims (9)

1.一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）建立设备几何模型：依据舰船机电控制设备的结构形式，简化结构复杂而对设备振动、冲击性能影响不大的构件、元件或连接形式；再用参数化设计语言生成机电控制设备的点、线、面和体特征，并进行相应的加、减、合并和粘结特征处理以及进行移动、复制、旋转和镜像几何模型处理，直至生成机电控制设备的参数几何模型；

2）建立有限元模型：依据机电控制设备中结构的材料类型、实参数，收集各种结构的材料力学参数，再结合机电控制设备结构的复杂程度、计算时间、结果精度，确定有限元建模中选择的单元类型、网格划分形式；

3）虚拟模态试验：在步骤2）有限元模型上施加边界条件，确定模态分析的方法，设置模态分析的频率范围和模态阶数，设定计算结果后处理参数，最后提交计算求解；

4）虚拟振动试验：在步骤2）有限元模型上施加边界条件，确定振动谐响应分析的方法、设置振动分析的频率范围、设定计算结果后处理参数，最后提交计算求解；

5）虚拟冲击试验：在定义元器件之间的接触类型和接触参数，在步骤2）有限元模型上施加边界条件和冲击载荷，设置冲击计算的时间、计算结果输出的步数，生成机电控制设备冲击计算的k文件，提交非线性动力学分析软件LS_DYNA进行冲击计算，对计算结果进行后处理输出；

6）舰船机电控制设备虚拟振动和冲击再试验：结合机电控制设备动态特性的试验测试结果，并通过对参数化有限元模型的修改，开展不同几何模型、不同材料参数及不同工况的机电控制设备的虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试数据之间的误差满足要求。

2.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤3）中的模态分析的方法可选分块Lanczos法、子空间法、缩减法、非对称法、阻尼法以及QR阻尼法中的任意一种。

3.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤3）中的模态分析的频率范围和所需要计算的模态阶数依据用户的需求设置。

4.根据权利要求2所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤3）中的有限元模型模态分析为线性分析，分析前模型中的非线性连接方式需要转化成线性单元和线性连接。

5.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤4）中的振动谐响应分析的方法可选缩减法、完全法以及模态叠加法中的任意一种。

6.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤4）中的振动分析的频率范围依据用户的需求设置。

7.根据权利要求5所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤4）中的振动谐响应分析为线性分析，分析前模型中的非线性单元、非线性接触需要转化成线性单元和线性连接。

8.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤5）中的元器件之间的接触方式有：点-面接触、线-面接触和面-面接触，接触面的参数有接触刚度和摩擦系数。

9.根据权利要求1所述舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，其特征在于，所述步骤5）中的冲击载荷的幅度和施加部位根据设备的实际工况和用户需求来确定。