CN113779832A - 一种高精度有限元仿真模型修正方法 - Google Patents

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Abstract

一种高精度有限元仿真模型修正方法，在利用模态参数进行模型修正的基础上，结合多种地面试验数据相互辅助，开展仿真计算模型修正，提高模型修正的精度，为结构改进设计提高有力支撑。

Description

一种高精度有限元仿真模型修正方法
技术领域
本发明涉及动态仿真计量技术领域，尤其涉及一种高精度有限元仿真模型修正方法。
背景技术
目仿真计算是目前结构强度设计、动力学分析甚至一些故障分析等过程中常用的手段，仿真计算的关键是建立准确的有限元模型，即根据实际结构形式，建立可用于有限元计算的模型。模型的准确与否，目前常用方式是通过模态试验实际测量参数对模型进行修正，通过修改材料参数、连接刚度等，使计算得到的前几阶频率与振型与试验结果近似。此方法对于大部分结构可满足计算精度，但对于一些小型、轻型结构，无法开展模态试验测试，频率和振型无法获取，计算模型的准确性则无法验证。
发明内容
本发明提出一种改进的模型修正方法，即在通过模态参数修正的基础上，结合多种地面试验数据相互辅助，进行修正，例如通过局部位置传递特性、响应大小等进行修正，保证局部位置计算的准确性。
一种高精度有限元仿真模型修正方法，根据实际结构三维设计图建立其有限元几何模型，重点关注位置要进行详细建模；对所建模型划分网格，对结构附材料参数，例如密度、弹性模量、泊松比等；计算结构前10阶模态参数。
开展地面模态试验，边界条件与仿真计算相同，便于进行模型修正，通常采用自由-自由边界条件。根据计算结果，选择测点位置，测点数量和位置选择要能描述主要振型，激励点要避开节点位置。测试获得结构的前几阶模态参数，包括频率、振型和阻尼比。
根据试验结果，对模型进行修正，通过修正结构的材料参数、连接刚度等，进行多轮迭代，提高模型精度，减小计算误差。
根据结构实际或设计环境剖面，开展随机振动试验、冲击试验等相关试验，测试不同激励方式下关键位置的加速度或应变响应，以及传递特性；以同样的条件和加载方式，利用修正后的模型，计算相对应位置的响应和传递特性，对比试验结果与计算结果，再次进行模型修正。以最终修正后的模型为基础，计算结构的环境应力，发现结构的薄弱环节，改进设计，从而提高结构的可靠性。
本专利的有益效果，包括：
1)提高仿真计算模型精度，从而使仿真计算结果准确性更高，为结构设计改进提供有力支撑。
2)对于一些较轻、较薄的结构，无法开展模态试验振型测试，结构建模只能根据经验进行，无法进行模型修正，但这些结构又属于关键零部件或高概率故障位置，需要准确计算其应力分布，分析失效原因，进行结构改进；本专利通过利用其它地面试验数据进行辅助，进行模型修正，提高建模精度，准确获取其应力分布，为结构设计改进提供有力支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施方法流程；
图2为本发明实施例加表摆片结构示意图；其中，1：石英摆片2：摆片根部3：加表轮廓
图3为本发明实施例加表摆片结构改进方案示意图；1：石英摆片2：摆片根部3：加表轮廓4：倒角5：限位块
图4为本发明模态试验测点分布图；
图5为本发明加表安装位置和加表表面传递自谱与互谱对比。
图6为本发明加表安装位置和加表表面时间历程信号
具体实施方式
下面将结合图1—图6，附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
根据实际结构三维设计图建立其有限元几何模型，重点关注位置要进行详细建模；对所建模型划分网格，对结构附材料参数，例如密度、弹性模量、泊松比等；计算结构前10阶模态参数。
开展地面模态试验，边界条件与仿真计算相同，便于进行模型修正，通常采用自由-自由边界条件。根据计算结果，选择测点位置，测点数量和位置选择要能描述主要振型，激励点要避开节点位置。测试获得结构的前几阶模态参数，包括频率、振型和阻尼比。
根据试验结果，对模型进行修正，通过修正结构的材料参数、连接刚度等，进行多轮迭代，提高模型精度，减小计算误差。
根据结构实际或设计环境剖面，开展随机振动试验、冲击试验等相关试验，测试不同激励方式下关键位置的加速度或应变响应，以及传递特性；以同样的条件和加载方式，利用修正后的模型，计算相对应位置的响应和传递特性，对比试验结果与计算结果，再次进行模型修正。以最终修正后的模型为基础，计算结构的环境应力，发现结构的薄弱环节，改进设计，从而提高结构的可靠性。
实施例2
以惯测装置内部加表为例，加表内部有一个石英摆片，属于高概率故障部位，摆片厚度不足1mm，现已知在高量级冲击下，摆片在平面悬臂方向(图2)容易断裂，但由于摆片太薄，无法开展模态参数测试，模型准确性得不到验证，给结构改进设计带来极大困难。
第一步：有限元建模、模态参数计算。
分析结构三维设计图，包括结构组成、材料属性等，根据三维设计图建立有限元几何模型，重点关注位置要进行详细建模；对所建模型划分网格，对结构附材料参数，例如密度、弹性模量、泊松比等；计算结构前10阶模态参数。
第二步：模态参数测试。
通过弹簧、橡皮绳悬吊等方式模拟自由-自由边界条件，开展模态试验，根据计算结果确定测点位置和数量，测点数量和测点位置选择要能描述主要振型(图4)，激励点要避开节点位置，测试设备为加速度传感器，激励设备可选择力锤、激振器等，激励方式可选脉冲激励、随机激励或者步进正弦激励，通过激励处力反馈与响应处加速度响应，计算频响函数，从而识别得到结构的模态参数。
第三步：其他地面试验测试。
根据结构实际或设计环境剖面，开展随机振动试验、冲击试验等相关试验，以惯测装置为例，以验收条件为随机振动试验输入条件，冲击试验数据来自工作冲击环境实测数据以及跌落试验，同时开展惯测装置加表安装位置到加表上的传递特性测试等，包括传递函数(图5)和时域响应(图6)。
第四步：模型修正。
根据模态试验测得的频率、振型和阻尼比，对初始模型进行修正；在进行模型修正时，主要针对零部件之间的连接刚度，及板件的非结构质量等进行了调整，并根据试验结果修正了阻尼比。以随机振动试验和冲击试验等输入条件为基础，对结构进行应力计算，计算结果与试验结果进行对比，通过分析传递函数与传递路径，进一步修正结构的连接刚度等，使计算结果与试验结果在频率、振型、响应趋势、传递等方面相吻合。
第五步：应力分析、设计改进。
在修正后的模型基础上，对结构进行应力分析，确定结构的薄弱环节，从而改进设计，以XX惯测装置为例，在高量级冲击条件下，其内部加表摆片在平行摆片平面悬臂方向，应力远大于材料许用应力，是惯组工作时的薄弱环节，其应力大的主要原因是摆片根部应力集中以及悬臂方向摆动位移过大造成，因此在摆片根部增加倒角，减小应力集中，在摆片平行摆片平面悬臂方向增加限位装置，减小这一方向的摆动位移(图3)。通过这两方面的改进，再次进行应力计算，发现摆片所受应力小于其许用应力，满足设计要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高精度有限元仿真模型修正方法，其特征在于，在利用模态参数进行模型修正的基础上，结合多种地面试验数据相互辅助，开展仿真计算模型修正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修正方法包括以下步骤：
(1)建立有限元模型并对模态参数计算：根据三维设计图建立有限元几何模型，计算结构前10阶模态参数；
(2)模态参数测试：开展模态试验，根据计算结果确定测点位置和数量，计算频响函数，从而识别得到结构的模态参数；
(3)其他地面试验测试并对模型进行修正，根据模态试验测得的频率、振型和阻尼比，对初始模型进行修正，使计算结果与试验结果相吻合；
(4)应力分析、设计改进：在修正后的模型基础上，对结构进行应力分析，确定结构的薄弱环节，从而改进设计。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其他地面试验测试的边界条件与仿真计算相同，便于进行模型修正，通常采用自由-自由边界条件，根据结构实际或设计环境剖面，开展随机振动试验、冲击试验在内的相关试验，测试获得结构的前几阶模态参数。
4.根据权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤(1)的几何模型划分网格，对包括密度、弹性模量、泊松比在内的结构附材料参数计算结构前10阶模态参数。
5.根据权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述步骤(2)模态参数测试通过弹簧、橡皮绳悬吊方式模拟自由-自由边界条件，开展模态试验，根据计算结果确定测点位置和数量。
6.根据权利要求5所述的修正方法，其特征在于，所述测点数量和测点位置选择要能描述主要振型，激励点要避开节点位置，测试设备为加速度传感器，激励设备可选择力锤、激振器，激励方式可选脉冲激励、随机激励或者步进正弦激励，通过激励处力反馈与响应处加速度响应，计算频响函数，从而识别得到结构的模态参数。
7.根据权利要求2所述的修正方法，其特征在于，所述修正主要针对零部件之间的连接刚度及板件的非结构质量进行调整，并根据试验结果修正阻尼比，以随机振动试验和冲击试验输入条件为基础，对结构进行应力计算，计算结果与试验结果进行对比，通过分析传递函数与传递路径，进一步修正结构的连接刚度，使计算结果与试验结果在频率、振型、响应趋势、传递方面相吻合。
8.一种高精度有限元仿真模型修正方法的应用，其特征在于，提高建模精度，准确获取其应力分布。
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