CN110555231A - 一种动力学仿真模型修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力学仿真模型修正方法，包括在仿真软件中建立仿真模型；将仿真模型数据文件和试验数据文件导入仿真模型修正软件中；对仿真模型数据文件进行仿真分析获取仿真结果数据文件；对仿真结果数据文件和试验数据文件进行相关性分析，获取相关性分析结果；根据相关性分析结果、仿真结果数据文件和试验数据文件，获取仿真分析中特定阶数的振型和试验数据文件的振型，并依照模态置信准则MAC计算公式计算仿真与试验的MAC值；根据仿真模型的单元和材料等属性，选择待修正参数；采用系列二次规划(QP)、系列二次规划+Link(QP+Link)等数学优化算法进行仿真模型修正。优点是：采用上述仿真模型修正方法，能够明显的减少模型修正迭代次数，减少模型修正所耗费的时间。
Description
技术领域
本发明涉及工程构设计领域，尤其涉及一种动力学仿真模型修正方法。
背景技术
现有的动力学模型修正技术，是基于灵敏度的，对待修参数采用最小二乘 法迭代更新数值的计算技术。但是在实际应用中发现，最小二乘法修正存在以 下两个问题：面对灵敏度矩阵条件数畸大时，迭代修正的收敛性不佳，甚至有 时无法收敛；采用最小二乘法做迭代修正，迭代的收敛速度慢。这样就会造成， 在有些情况下使用最小二乘法修正会造成修正的效率低下，甚至是修正结果不 准确或者是无法修正；因此，亟需一种更优良的修正方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动力学仿真模型修正方法，从而解决现有技术 中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种动力学仿真模型修正方法，包括如下步骤，
S1.在仿真软件中建立仿真模型；
S2.将仿真模型数据文件和试验数据文件导入仿真模型修正软件中；
S3.对仿真模型数据文件进行仿真分析获取仿真结果数据文件；
S4.对仿真结果数据文件和试验数据文件进行相关性分析，获取相关性分析 结果；
S5.根据相关性分析结果、仿真结果数据文件和试验数据文件，获取仿真分 析中特定阶数的振型和试验数据文件的振型，分别记为第一振型和第二振型， 并依照模态置信准则MAC计算公式，计算第一振型和第二振型之间的差异性指 标，即仿真与试验MAC值；
S6.根据仿真模型的单元和材料等属性，选择待修正参数；
S7.计算待修正参数对仿真模型振动频率值以及仿真与试验MAC值的灵敏度；
S8.根据灵敏度值，利用二次规划的数学理论编制新的算法，并使用新的算 法获取新的待修正参数；
S9.重新计算仿真模型频率值以及仿真与试验MAC值，并采用新的仿真模型频 率值计算其与试验振动频率值之间的误差；
S10.判断误差值是否处于误差值范围区间内，并判断重新计算的仿真与试验 MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，若误差值处于误差值范围区间内，且重 新计算的仿真与试验MAC值处于所述振型MAC值范围区间内，则输出修正结果； 若否，则返回步骤S7。
优选的，所述仿真模型频率值即为仿真模型数据文件通过仿真模型运行获得 振动频率值；所述试验振动频率值即为通过试验测得的振动频率值。
优选的，所述步骤S4具体为，根据试验数据文件中各个测点的坐标，在仿真 结果数据文件中逐个寻找与试验数据文件中各个测点坐标相匹配的仿真点。
优选的，所述误差值范围区间和所述振型MAC值范围区间均预设在所述仿真 模型修正软件中。
优选的，所述仿真模型修正软件内设置有修正次数上限值，当使用新算法 获取新的修正参数的次数大于修正次数上限值时，则无论误差值是否处于误差 值范围区间内以及新的振型MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，均输出修正 结果。
本发明的有益效果是：1、本发明的仿真修正方法明显的减少迭代次数，减 少模型修正所耗费的时间。2、不受灵敏度矩阵条件数畸大的影响，模型修正效 率高。
附图说明
图1是本发明实施例中仿真模型修正方法的流程图；
图2本发明实施例中软件的操作界面；
图3是本发明实施例中导入试验数据文件的软件界面示意图；
图4是本发明实施例中导入仿真结果数据文件的软件界面示意图；
图5是本发明实施例中点与点匹配前的软件界面示意图；
图6是本发明实施例中点与点匹配后的软件界面示意图；
图7是本发明实施例中MAC分析前的软件界面示意图；
图8是本发明实施例中MAC分析后获得的MAC柱状图；
图9是本发明实施例中选择待修参数时的软件界面示意图；
图10是本发明实施例中修正参数选中之后的软件界面示意图；
图11是本发明实施例中响应目标选中之前的软件界面示意图；
图12是本发明实施例中响应目标选中之前的软件界面示意图；
图13是本发明实施例中灵敏度分析时的软件界面示意图；
图14是本发明实施例中获取的灵敏度柱状图；
图15是本发明实施例模型修正选项界面示意图；
图16是本发明实施例模型修正后的MAC直方图；
图17是本发明实施例模型目标响应收敛曲线示意图；
图18是本发明实施例中修正前后参数变化列表；
图19是本发明实施例中修正前后仿真与试验的频率误差表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种动力学仿真模型修正方法，包括如下步骤，
S1.在仿真软件中建立仿真模型；
S2.将仿真模型数据文件和试验数据文件导入仿真模型修正软件中；
S3.对仿真模型数据文件进行仿真分析获取仿真结果数据文件；
S4.对仿真结果数据文件和试验数据文件进行相关性分析，获取相关性分析 结果；
S5.根据相关性分析结果、仿真结果数据文件和试验数据文件，获取仿真分 析中特定阶数的振型和试验数据文件的振型，分别记为第一振型和第二振型， 并依照模态置信准则MAC计算公式，计算第一振型和第二振型之间的差异性指 标，即仿真与试验MAC值；
S6.根据仿真模型的单元和材料等属性，选择待修正参数；
S7.计算待修正参数对仿真模型振动频率值以及仿真与试验MAC值的灵敏度；
S8.根据灵敏度值，利用二次规划的数学理论编制新的算法，并使用新的算 法获取新的待修正参数；
S9.重新计算仿真模型频率值以及仿真与试验MAC值，并采用新的仿真模型频 率值计算其与试验振动频率值之间的误差；
S10.判断误差值是否处于误差值范围区间内，并判断重新计算的仿真与试验 MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，若误差值处于误差值范围区间内，且重 新计算的仿真与试验MAC值处于所述振型MAC值范围区间内，则输出修正结果； 若否，则返回步骤S7。
本实施例中，所述仿真模型频率值即为仿真模型数据文件通过仿真模型运行 获得振动频率值；所述试验振动频率值即为通过试验测得的振动频率值。
本实施例中，所述步骤S4具体为，根据试验数据文件中各个测点的坐标，在 仿真结果数据文件中逐个寻找与试验数据文件中各个测点坐标相匹配的仿真 点。
本实施例中，所述误差值范围区间和所述振型MAC值范围区间均预设在所述 仿真模型修正软件中。
本实施例中，所述仿真模型修正软件内设置有修正次数上限值，当使用新算 法获取新的修正参数的次数大于修正次数上限值时，则无论误差值是否处于误 差值范围区间内以及新的振型MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，均输出修 正结果。
本实施例中，所述仿真模型数据文件和仿真结果数据文件共同构成仿真数据 文件。
本实施例中，设动力学仿真模型的初始有限元模型共有n个设计参数，这些 设计参数表示为：
p＝(p1 p2 ... pn)T
模型对应的任意一个特征量(模态频率、模态振型等)f表示设计参数的函 数，表达式如下：
f＝p(p)
一般来说，特征量和设计参数之间是一个非线性的关系。假如试验获得的结 构特征量为f(p)，而有限元初始模型的设计参数为p0，则可使用一阶泰勒公式表 示：
式中：fi(p)代表试验获得的第i个特征量，fi(p0)代表仿真获得的第i个特征 量，代表的是第i个特征量对第j个参数的偏导数，△pj代表试验中第j个设计 参数与仿真中第j个设计参数之间的差值。
应用上式将m阶特征量组合并写成矩阵的形式，则有：
Δf＝SΔp
其中，Δf为试验与仿真所得的特征量的残差向量，Δp为设计参数变化向量， 而s为灵敏度矩阵。基于灵敏度的模型修正技术的实现为一个迭代过程，即不停 由Δf和S求解Δp，最终使得仿真分析的结果与试验结果足够接近。
对于上面的式子，Δf和S均为已知量，均由仿真软件得出。故采用下面的公 式即可获得Δp：
Δp＝S-1Δf
公式
ΔP＝Pe-Pa
式中pe指仿真参数，pa为试验参数。在残差向量和灵敏度值均已知的情况下，可 以求出新的仿真参数值。
上述为一般的求解过程。模型修正是一个迭代的过程，如何更快更好地完成 修正，取决于对病态矩阵的改善和求解方式。本项修正技术采用了二次规划算 法。记改善病态矩阵后的m阶特征量组合：
将上式左右同时乘以获得公式：
上式可以等价为如下的优化问题：
约束条件为
B1≤Δp≤Bu
Bi和Bu分别表示设计参数变化的上下限。
如图2至图19所示，以U形板为例，使用本发明提出的动力学仿真模型修正方 法，进行仿真模型修正，具体过程如下：
首先在仿真软件中建立仿真模型，之后如图3至图4所示，导入仿真模型数据 文件和试验结果数据文件；之后进行相关性分析，具体如图5至图6所示，仿真 模型修正软件根据试验数据文件中各个测点的坐标，在仿真结果数据文件中逐 个寻找与试验数据文件中各个测点坐标相匹配的仿真点；仿真点匹配完成后， 进行MAC分析，也就是根据相关性分析结果、仿真结果数据文件和试验数据文件， 获取仿真分析中特定阶数的振型和试验结果的振型，也就是第一振型和第二振 型，并依照MAC计算公式计算仿真与试验振型MAC值。如图7至图8所示，图中显 示为MAC分析后获得的MAC柱状图，柱状图的x和y轴分别表示仿真和试验阶次，z 轴代表MAC的数值。MAC的数值越大，则表明参与计算该MAC数值的仿真和试验阶次的匹配性越好；之后选择待修正参数，如图9至图12所示，用户选择待修正参 数，被选中的参数会出现在主界面中；然后再选择目标响应参数，被选中的目 标响应会出现在主界面中，之后进入灵敏度分析，如图13至14所示，灵敏度获 取完成后，将会获得一个灵敏度柱状图，如图14所示，柱状图中x和y轴分别代 表所选参数和待修阶次，z轴代表灵敏度的数值。灵敏度的绝对值越大，则代表 该参数对频率和振型的影响越大；之后可以根据灵敏度的计算结果重新选择新 的修正参数，排除一些对应灵敏度低的修正参数。本例不再重新选择参数，直 接进行修正。
本实施例中，在进行模型修正时，也就是进入步骤S9，如图15，在仿真分析 软件中设置最高迭代上限，也就是指修正次数上限值；最小迭代误差指允许的 误差值区间；算法选择系列二次规划算法(QP)，修正完成之后可以查看修正结 果。如图16至图19所示，可以明显看出，修正前后仿真频率值与试验频率值之 间的误差，且修正之后的误差明显小于修正前。
本实施例中，所述仿真模型修正方法还可以对密度、杨氏弹性模量、板单元 厚度等参数进行修正。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明通过提供一种动力学仿真模型修正方法，可使仿真运行过程更加有 效。同时本仿真修正方法明显的减少迭代次数，减少模型修正耗费的时间，大 大提高了仿真的效率，节省仿真时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进 应视本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种动力学仿真模型修正方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1.在仿真软件中建立仿真模型；
S2.将仿真模型数据文件和试验数据文件导入仿真模型修正软件中；
S3.对仿真模型数据文件进行仿真分析获取仿真结果数据文件；
S4.对仿真结果数据文件和试验数据文件进行相关性分析，获取相关性分析结果；
S5.根据相关性分析结果、仿真结果数据文件和试验数据文件，获取仿真分析中特定阶数的振型和试验数据文件的振型，分别记为第一振型和第二振型，并依照模态置信准则MAC计算公式，计算第一振型和第二振型之间的差异性指标，即仿真与试验MAC值；
S6.根据仿真模型的单元和材料等属性，选择待修正参数；
S7.计算待修正参数对仿真模型振动频率值以及仿真与试验MAC值的灵敏度；
S8.根据灵敏度值，利用二次规划的数学理论编制新的算法，并使用新的算法获取新的待修正参数；
S9.重新计算仿真模型频率值以及仿真与试验MAC值，并采用新的仿真模型频率值计算其与试验振动频率值之间的误差；
S10.判断误差值是否处于误差值范围区间内，并判断重新计算的仿真与试验MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，若误差值处于误差值范围区间内，且重新计算的仿真与试验MAC值处于所述振型MAC值范围区间内，则输出修正结果；若否，则返回步骤S7。
2.根据权利要求1所述的动力学仿真模型修正方法，其特征在于：所述仿真模型频率值即为仿真模型数据文件通过仿真模型运行获得振动频率值；所述试验振动频率值即为通过试验测得的振动频率值。
3.根据权利要求1所述的动力学仿真模型修正方法，其特征在于：所述步骤S4具体为，根据试验数据文件中各个测点的坐标，在仿真结果数据文件中逐个寻找与试验数据文件中各个测点坐标相匹配的仿真点。
4.根据权利要求1所述的动力学仿真模型修正方法，其特征在于：所述误差值范围区间和所述振型MAC值范围区间均预设在所述仿真模型修正软件中。
5.根据权利要求1至4任一所述的动力学仿真模型修正方法，其特征在于：所述仿真模型修正软件内设置有修正次数上限值，当使用新算法获取新的修正参数的次数大于修正次数上限值时，则无论误差值是否处于误差值范围区间内以及新的振型MAC值是否处于振型MAC值范围区间内，均输出修正结果。
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