CN109902326B - 一种有限元仿真实验效果测评方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有限元仿真实验效果测评方法，包括：设定实验材料的限制参数和受力信息，对实验材料样品本身及其三维模型分别进行真实实验和有限元仿真实验，并分别获取实验数据；计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度；用两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同一坐标图中进行拟合，并对比同一坐标图中的拟合曲线；对两次实验的图像进行网格化，确定网格化对比结果；综合实验数据对比结果，确定有限元仿真效果。通过本发明，能够解决材料力学领域通过有限元仿真软件分析结果不易进行评测的问题，从而帮助人们直观了解有限元分析工具与真实实验的偏差程度，验证有限元仿真分析结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，尤其涉及一种有限元仿真实验效 果测评方法。
背景技术
无论在传统的机械加工行业，还是其他高端制造业中，所使用材 料元部件的各种力学性能参数，如：弹性极限、伸长率、弹性模量、 比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度等指标的获得 往往需要借助力学实验机。但是，这些实验的过程往往具有破坏性、 一次性、不可逆性的行为特点，这种情况下，如果测试样品价值较高，或者非标结构产品，实验的成本往往是非常难以接受的。因此，随着 计算机虚拟软件技术的飞速发展，对各种材料构件的相关性能实验进 行虚拟仿真分析的技术已经得到广泛应用，尤其在产品预研制、教学 培养等领域，人们往往采用ANSYS、ALGOR、ADAMS、Solidworks、Catia等门类繁多的有限元分析软件。这种利用“虚拟现实”技术来 替代现实实验的新技术行为是当今传统测试行业发展的重要阶段。但 是，人们在利用这些手段的同时，其可靠度和真实性往往无法直接验 证，人们对有限元仿真技术并没有完善的评估和量化机制。现实情况 是人们借助新技术对所使用的材料进行了仿真测试，但仍然会出现由 于虚拟技术的偏差造成最终产品或项目出现失效的情况。本方法就是基于材料力学实验设计高速视频采集分析、动态传感器采集技术的系 统平台，将传统的材料力学实验的动态过程可视化、数据化、直观化、 信息化，同时运用多种有限元分析软件对同样的产品模型进行虚拟仿 真，将仿真结果与现实力学实验进行全方位对比，分析有限元虚拟仿 真分析结果的真实性、可靠性，评测其准确度。
有限元分析技术往往借助于各种计算机软件工具，但是这些主流 软件大都由国外的公司所垄断，由于知识产权和国外技术封锁等问题， 我国研究者在使用中往往很难对底层模型和算法进行深入修正和调 整，使得许多分析仿真的结果与实际的差距程度值得商榷，因此如何 验证研究各种有限元分析方式的准确度就是成为迫切需要解决的问 题。
在现实力学实验领域，经过多年的积累，各种材料力学实验机有 了长足发展，现阶段其结构型式分为立式和卧式，立式一般用于吨位 较小的机器，超大吨位且行程较长的多为卧式，驱动方式也由传统的 液动逐步向电动发展，许多中小型实验机已经大量采用了伺服电机等 控制驱动方式，设备控制系统也更加精确，各种脉冲方式也均能满足要求。
其中一种现有技术的方案描述了运用Hypermesh软件，建立双中 间轴变速器壳体有限元分析模型，结合齿轮、轴承和齿轮轴对壳体强 度的影响，应用接触非线性有限元理论分析了壳体的强度，同时对有 限元分析结果进行了实验验证，对比了计算值与实验值的整体变化趋势，从而验证了有限元分析结果。但是该文章中直接运用网格划分进 行建模，没有用到三维建模软件，并且对有限元分析计算值与实验值 的比对仅提到了变化趋势一致，在拟合曲线中明显存在偏差，但是没 有进行量化，没有从根本上解决有限元分析准确度、可靠性评测问题。
现有技术的另一技术方案对新开发的某轿车转向节进行了有限 元分析，并通过实验验证分析了可靠性，从而建立一条合理可行的零 部件设计开发流程。但是该文章也没有对实体进行软件三维建模，有 限元分析采用传统网格化计算，实验验证仅提到无裂缝，没有对两种 结果进行量化比对，没能真正评测有限元分析结果的准确度。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种有限元 仿真实验效果测评方法。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种有 限元仿真实验效果测评方法，包括：设定实验材料的限制参数和受力 信息，对实验材料样品本身及其三维模型分别进行真实实验和有限元 仿真实验，并分别获取实验数据；计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度；取真实实验的实验数据和有限元仿真 实验的实验数据，用两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同 一坐标图中进行拟合，并对比同一坐标图中的拟合曲线；对有限元仿 真实验和真实实验采集的图像进行网格化，确定两幅图像的网格化对 比结果；综合实验数据相似度、拟合曲线和图像网格化的对比结果， 确定有限元仿真效果。
其中，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据 的相似度的步骤中，包括步骤：
取真实实验的实验数据，不同类型的实验数据用a0、b0、c0、d0…… 表示，对应取有限元仿真实验的实验数据，用a1、b1、c1、d1……表 示，按照公式(1)计算两类实验数据中对应的每种参数的偏差绝对 值占参数量值的比值；
根据公式(2)计算整体比值数据偏差的平均值；
则相似度α为：且越小，相似程度越高。
其中，在对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行网格化， 确定两幅图像的网格化对比结果的步骤中，包括步骤：
统计有限元仿真实验的图像中最大轮廓占据的网格数Nmax；
统计有限元仿真实验和真实实验采集的图像图像完全重合的网 格数Noverlap；
根据公式(3)计算匹配比值：
设定限值为0.95≤p≤1为置信区间，如果超出此区间，则判定有 限元仿真结果无效。
其中，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据 的相似度的步骤之前，还包括对实验材料进行扫描和建模的步骤。
其中，对实验材料进行扫描和建模的步骤中，包括：
通过测绘工具对材料样品进行实体测绘，得到轮廓参数；其中， 测绘工具为三坐标测量仪或质量测试装置；
根据轮廓参数对材料样品进行三维建模，获取材料样本的三维模 型。
其中，若真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相 似度小于第一预设阈值、同一类型实验数据的拟合图像相似度小于第 二预设阈值或者图像网格化的匹配度不在置信区间内时，判定有限元 仿真实验的可靠性差。
区别于现有技术，本发明的有限元仿真实验效果测评方法步骤包 括：设定实验材料的限制参数和受力信息，对实验材料样品本身及其 三维模型分别进行真实实验和有限元仿真实验，并分别获取实验数据； 计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度；取 真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据，用两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同一坐标图中进行拟合，并对比同一 坐标图中的拟合曲线；对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行 网格化，确定两幅图像的网格化对比结果；综合实验数据相似度、拟 合曲线和图像网格化的对比结果，确定有限元仿真效果。通过本发明， 能够解决材料力学领域通过有限元仿真软件分析结果不易进行评测 的问题，从而帮助人们直观了解有限元分析工具与真实实验的偏差程度，验证有限元仿真分析结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的一种有限元仿真实验效果测评方法的流程示 意图。
图2是本发明提供的一种有限元仿真实验效果测评方法的逻辑示 意图。
图3是本发明提供的一种有限元仿真实验效果测评方法中曲线拟 合对比的示意图。
图4是本发明提供的一种有限元仿真实验效果测评方法中网格化 对比的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的 描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明 保护的范围。
参阅图1和图2，图1是本发明提供的一种有限元仿真实验效果 测评方法的流程示意图；图2是本发明提供的一种有限元仿真实验效 果测评方法的逻辑示意图。该方法的步骤包括：
S110：设定实验材料的限制参数和受力信息，对实验材料样品本 身及其三维模型分别进行真实实验和有限元仿真实验，并分别获取实 验数据。限制参数包括：材料信息、弹性模量、柏松比材料参数；受 力信息包括：受力的作用方向、作用形式(点或线或面)、作用大小、 持续方式(持续或断续或有规律)；
S120：计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的 相似度。
S130：取真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据，用 两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同一坐标图中进行拟 合，并对比同一坐标图中的拟合曲线。
S140：对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行网格化，确 定两幅图像的网格化对比结果。具体是将有限元仿真和真实实验采集 的图像可以通过photoshop等软件进行比对。
S150：综合实验数据相似度、拟合曲线和图像网格化的对比结果， 确定有限元仿真效果。
优选的，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数 据的相似度的步骤中，包括步骤：
取真实实验的实验数据，不同类型的实验数据用a0、b0、c0、d0…… 表示，对应取有限元仿真实验的实验数据，用a1、b1、c1、d1……表 示，按照公式(1)计算两类实验数据中对应的每种参数的偏差绝对 值占参数量值的比值；
根据公式(2)计算整体比值数据偏差的平均值；
则相似度α为：且越小，相似程度越高。
在具体评价过程中可以设定α的限制，如果设定其大于等于95％， 即如果α小于95％那么就判定有限元仿真失败，需要重新调整参数进 行重新仿真，如果在限定之内则判定有限元仿真有效。
优选的，在对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行网格化， 确定两幅图像的网格化对比结果的步骤中，包括步骤：
统计有限元仿真实验的图像中最大轮廓占据的网格数Nmax；
统计有限元仿真实验和真实实验采集的图像图像完全重合的网 格数Noverlap；
根据公式(3)计算匹配比值：
设定限值为0.95≤p≤1为置信区间，如果超出此区间，则判定有 限元仿真结果无效。
对于有限元仿真和现实试验采集的图像可以通过photoshop等软 件进行比对，主要采用网格化功能，例如如图4所示三幅已经网格化 的图像，左侧是现实试验中的样品照片，右侧是有限元仿真结果图像， 通过软件以同一比例网格化图像，然后合成出比对图为图4中三幅图 中处于下方的图。
优选的，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数 据的相似度的步骤之前，还包括对实验材料进行扫描和建模的步骤。
优选的，对实验材料进行扫描和建模的步骤中，包括：
通过测绘工具对材料样品进行实体测绘，得到轮廓参数；其中， 测绘工具为三坐标测量仪或质量测试装置；
根据轮廓参数对材料样品进行三维建模，获取材料样本的三维模 型，是利用测绘结果结合SolidWorks、proe、Catia等软件工具完成样 品数字建模。
优选的，若真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的 相似度小于第一预设阈值、同一类型实验数据的拟合图像相似度小于 第二预设阈值或者图像网格化的匹配度不在置信区间内时，判定有限 元仿真实验的可靠性差。
有限元仿真实验是在数字样品建模的基础上利用有限元仿真软 件工具给样品模型添加各种限制参数和受力信息，由软件系统自动得 出有限元分析结果；真实实验是将同一样品置于材料实验设备中按照 相同受力情况进行现实实验；两次实验得到结果后，就有限元仿真结 果与现实实验结果进行分析比对，评测有限元仿真的可靠性。
通过本发明的方法，整个实验过程不仅记录了实验数据，还保留 了现实实验过程中的图片信息，示例的，通过方法对煤矿使用的型号 为38×137高强度圆环链进行拉伸破断现实实验。可采集真实实验过程中的图片，以及有限元仿真实验生成的图片，通过图像信息直观的 展现了现实实验前后变化情况，包括端口的型式，有助于人们对实验 进行直观溯源，让实验过程更加形象。
如图3所示，是采用曲线拟合的方式进行测评的结果示意图。图 2左侧是一次针对38×137的链条两种实验方式过程曲线进行的比对， 可以看出有限元仿真分析的结果与现实实验过程存在较大差异，验证 失败，需要重新对有限元的条件参数进行调整；右侧是一次针对48 ×152的链条两种方式过程曲线进行的比对，可以看出有限元仿真分 析的结果与现实实验过程极为接近，验证了仿真的可靠性。
区别于现有技术，本发明的有限元仿真实验效果测评方法步骤包 括：设定实验材料的限制参数和受力信息，对实验材料样品本身及其 三维模型分别进行真实实验和有限元仿真实验，并分别获取实验数据； 计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度；取 真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据，用两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同一坐标图中进行拟合，并对比同一 坐标图中的拟合曲线；对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行 网格化，确定两幅图像的网格化对比结果；综合实验数据相似度、拟 合曲线和图像网格化的对比结果，确定有限元仿真效果。通过本发明， 能够解决材料力学领域通过有限元仿真软件分析结果不易进行评测 的问题，从而帮助人们直观了解有限元分析工具与真实实验的偏差程度，验证有限元仿真分析结果的可靠性。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换， 或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专 利保护范围内。
Claims (5)
1.一种有限元仿真实验效果测评方法，其特征在于，包括：
设定实验材料的限制参数和受力信息，对实验材料样品本身及其三维模型分别进行真实实验和有限元仿真实验，并分别获取实验数据；其中，限制参数包括：材料信息、弹性模量、柏松比材料参数；受力信息包括：受力的作用方向、作用形式、作用大小、持续方式；
计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度；
取真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据，用两次实验获取的实验数据中的相同类型数据在同一坐标图中进行拟合，并对比同一坐标图中的拟合曲线；
对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行网格化，确定两幅图像的网格化对比结果；
综合实验数据相似度、拟合曲线和图像网格化的对比结果，确定有限元仿真效果；
在对有限元仿真实验和真实实验采集的图像进行网格化，确定两幅图像的网格化对比结果的步骤中，包括步骤：
统计有限元仿真实验的图像中最大轮廓占据的网格数Nmax；
统计有限元仿真实验和真实实验采集的图像图像完全重合的网格数Noverlap；
根据公式(3)计算匹配比值：
设定限值为0.95≤p≤1为置信区间，如果超出此区间，则判定有限元仿真结果无效。
2.根据权利要求1所述的有限元仿真实验效果测评方法，其特征在于，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度的步骤中，包括步骤：
取真实实验的实验数据，不同类型的实验数据用a 0、b 0、c 0、d 0……表示，对应取有限元仿真实验的实验数据，用a 1、b 1、c 1、d 1……表示，按照公式(1)计算两类实验数据中对应的每种参数的偏差绝对值占参数量值的比值；
根据公式(2)计算整体比值数据偏差的平均值；
则相似度α为：
且
越小，相似程度越高。
3.根据权利要求1所述的有限元仿真实验效果测评方法，其特征在于，在计算真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度的步骤之前，还包括对实验材料进行扫描和建模的步骤。
4.根据权利要求3所述的有限元仿真实验效果测评方法，其特征在于，对实验材料进行扫描和建模的步骤中，包括：
通过测绘工具对材料样品进行实体测绘，得到轮廓参数；其中，测绘工具为三坐标测量仪或质量测试装置；
根据轮廓参数对材料样品进行三维建模，获取材料样本的三维模型。
5.根据权利要求1中任意一项所述的有限元仿真实验效果测评方法，其特征在于，若真实实验的实验数据和有限元仿真实验的实验数据的相似度小于第一预设阈值、同一类型实验数据的拟合图像相似度小于第二预设阈值或者图像网格化的匹配度不在置信区间内时，判定有限元仿真实验的可靠性差。
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