CN115758576A - 船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 - Google Patents
船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115758576A CN115758576A CN202211444298.6A CN202211444298A CN115758576A CN 115758576 A CN115758576 A CN 115758576A CN 202211444298 A CN202211444298 A CN 202211444298A CN 115758576 A CN115758576 A CN 115758576A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- virtual
- real
- ultimate strength
- test
- ship
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 338
- 230000004927 fusion Effects 0.000 title claims abstract description 98
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 81
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 77
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000007500 overflow downdraw method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 89
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 82
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 34
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 33
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 30
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000013031 physical testing Methods 0.000 claims 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
本发明涉及一种船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法。其包括高保真虚拟建模模块、虚拟装配模块，基于高保真虚拟建模模块内构建的虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统；虚实数据融合模块，用于将船体结构极的限强度真实物理试验信息和/或船体结构的极限强度仿真计算信息在上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合；虚拟决策与预报模块，用于将上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统和/或响应场重构后的船体结构极限强度虚拟物理试验系统进行所需的展示。本发明能有效实现船体结构极限强度的数据融合，可提高船体结构极限强度试验的精细化程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种虚虚实融合系统及方法，尤其是一种船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法。
背景技术
船体结构极限强度试验是船舶研制过程中必不可少的一环，在评价判断船体结构安全稳定性的过程中，发挥着十分重要的作用。随着未来船舶向深海、绿色、极地、智能方向发展，现有船体结构极限强度物理试验的不足变得尤为明显。
传统的船体结构极限强度物理试验中，易受到场地、设备、成本等各方面因素的制约，存在着周期长、验证内容有限、试验可重复性低、试验全过程信息零散等问题，同时，试验过程中可视化程度低，影响试验人员的实时决策，试验精细化程度不足。
随着新一代信息技术的快速发展，船体结构极限强度试验采用三维虚拟系统建模并仿真的试验方式越来越普遍，但在三维虚拟模型系统中虚拟建模并仿真过程中，为了提高试验的精细化程度，需要将传统的船体结构极限强度物理试验中的物理试验数据与三维虚拟建模仿真进行数据融合，即存在虚实融合的需求。
在船体结构极限强度试验中，由于三维虚拟模型系统与传统的船体结构极限强度物理试验的异源，在虚实融合时，存在着众多的技术难题，难以满足当前对船体结构极限强度试验的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法，其能有效实现船体结构极限强度的数据融合，可提高船体结构极限强度试验的精细化程度。
按照本发明提供的技术方案，所述船体结构极限强度试验用虚实融合系统，包括：
高保真虚拟建模模块，用于构建船体结构极限强度试验用的三维虚拟模型，其中，所构建三维虚拟模型至少包括用于搭建虚拟物理试验场景的虚拟物理试验场景三维模型以及用于搭建船体结构极限强度虚拟物理试验的极限强度虚拟物理试验三维模型；
虚拟装配模块，基于高保真虚拟建模模块内构建的虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统，其中，所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统包括虚拟物理试验场景以及基于所述虚拟物理试验场景下的极限强度虚拟物理试验平台系统；
虚实数据融合模块，用于将船体结构极限强度真实物理试验信息和/或船体结构的极限强度仿真计算信息在上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合，以实现船体结构极限强度试验的响应场重构；
虚拟决策与预报模块，用于将上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统和/或响应场重构后的船体结构极限强度虚拟物理试验系统进行所需的展示。
所述高保真虚拟建模模块包括虚拟结构试验平台、虚拟加载系统、虚拟试验工装以及虚拟传感器单元；其中，
虚拟结构试验平台，用于搭建虚拟物理试验场景，所述虚拟结构试验平台内的虚拟物理试验场景三维模型包括结构试验平台模型、试验厂房模型、液压泵源模型、冷却系统模型以及行车模型；
所述虚拟加载系统包括1000kN-30MN系列的载荷加载设备模型；
所述虚拟试验工装包括反力架模型、横梁模型、拉杆模型以及地脚螺栓模型；
所述虚拟传感器单元包括位移传感器模型、力值传感器模型、应变传感器模型和/或图像传感器模型。
虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括用于将一船体结构的极限强度真实物理试验中的实测应变信息在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上重构，其中，所述虚实融合方法包括：
对所述船体结构，确定所述船体结构在极限强度真实物理试验中的应变采样点分布，并建立所述船体结构的理论应变与位移对应关系；
基于上述建立的理论应变与位移对应关系，在船体结构极限强度真实物理试验中，对每个应变采样点所采样的单元实测应变信息，确定当前应变采样点基于所述单元实测应变信息的理论采样点位移以及采样点应力；
基于所有应变采样点的单元实测应变信息、与所有应变采样点相应的理论采样点位移以及采样点应力，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场，所述结构响应场包括应变、位移以及应力场；
对船体结构极限强度虚拟物理试验系统，基于上述得到的结构响应场进行所需的结构响应场实时重构，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上加载船体结构极限强度真实物理试验中的实时位移应力场信息。
对船体结构，构建所述船体结构基于NURBS基函数的四节点逆壳有限单元，基于所构建的四节点逆壳有限单元建立的船体结构的理论应变与位移对应关系，所建立的船体结构的理论应变与位移对应关系为：
其中，u为理论位移，n为船体结构上应变采样点的数量，εi为第i个应变采样点的单元理论应变信息，Ni(ξ)为第i个应变采样点的NURBS基函数，ξ为应变采样点处船体结构的参数坐标。
生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场时，包括刚度不变的线性结构响应场以及刚度变化的非线性结构响应场，其中，
生成线性结构响应场时，包括：
对任一应变采样点，构建应变采样点的单元实测应变信息与单元理论应变信息的最小二乘误差函数；
对所构建的最小二乘误差函数，基于所述最小二乘误差函数取最小值，以确定当前应变采样点的采样点位移单元矩阵；
将所有应变采样点的采样点位移单元矩阵组装以形成船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成线性结构响应场，所生成的线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
生成非线性结构响应场时，包括：
确定船体结构在极限强度真实物理试验中的非线性载荷段；
在每个载荷段下，采用生成线性结构响应场的方式确定在每个载荷段下的船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成在当前载荷段下的非线性结构响应场，所生成的非线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括实时匹配虚实融合，其中，
所述实时匹配虚实融合至少将船体结构的极限强度有限元计算的仿真试验结果与船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上融合；
所述实时匹配虚实融合包括极限强度有限元计算的仿真载荷位移曲线与极限强度真实物理试验的实测载荷位移曲线的实时对比，以及基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度有限元计算结果在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上的实时匹配。
基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度有限元计算的仿真载荷实时匹配虚实融合时，包括：
对任一实测载荷F，在极限强度仿真试验结果内进行逐帧载荷数据F′遍历索引，以F-F′最小为原则，提取相应帧内的所有数值仿真结果数据，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上进行重构展示。
实时匹配虚实融合还包括拍摄船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息，其中，
船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息导入三维虚拟模型系统，以可视化窗口方式进行所需的可视化展示；
所述可视化展示包括基于极限强度物理试验数据的实测载荷与极限强度仿真试验结果实时匹配下的状态可视化展示。
一种船体结构极限强度试验用虚实融合方法，对一船体结构，获取所述船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据和/或船体结构的极限前端股仿真物理试验的仿真试验数据，其中，
对真实试验数据、仿真试验数据利用上述的虚实融合系统进行所需的虚实融合。
本发明的优点：将极限强度真实物理试验的真实物理试验信息(实测应变、位移、载荷，视频监控)与极限强度有限元计算的仿真试验信息(仿真应变、位移、载荷，三维结构响应)融合于所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统，有利于船舶结构极限强度试验的现实呈现，极大的增强了试验的可视化和可复现化。
本发明利用虚实融合中的响应场实时重构以及实时匹配虚实融合，有效指导物理试验开展，提高试验精细化程度；针对传统视频监控在试验过程中只能监测试验对象外部信息的问题，将试验过程视频信息融合，可在试验过程中进入虚拟空间实时监测结构内部响应状态，无需进入试验现场便可准确掌握试验对象内外全部状态信息，在保证安全性的前提下大大提高了试验过程中的信息获取量。
附图说明
图1为本发明虚实融合系统一种实施例的系统框图。
图2为本发明虚实融合一种实施例的示意图。
图3为本发明结构响应场实时重构的一种实施例流程图。
图4为本发明对极限强度仿真试验结果进行数据解析的一种实施例流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
为了能有效实现船体结构极限强度的数据融合，可提高船体结构极限强度试验的精细化程度，对船体结构极限强度试验用虚实融合系统，本发明的一种实施例中，包括：
高保真虚拟建模模块，用于构建船体结构极限强度试验用的三维虚拟模型，其中，所构建三维虚拟模型至少包括用于搭建虚拟物理试验场景的虚拟物理试验场景三维模型以及用于搭建船体结构极限强度虚拟物理试验的极限强度虚拟物理试验三维模型；
虚拟装配模块，基于高保真虚拟建模模块内构建的虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统，其中，所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统包括虚拟物理试验场景以及基于所述虚拟物理试验场景下的极限强度虚拟物理试验平台系统；
虚实数据融合模块，用于将船体结构极的限强度真实物理试验信息和/或船体结构的极限强度仿真计算信息在上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合，以实现船体结构极限强度试验的响应场重构；
虚拟决策与预报模块，用于将上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统和/或响应场重构后的船体结构极限强度虚拟物理试验系统进行所需的展示。
对船体结构极限强度试验用的虚实融合系统，图1中示出了一种实施例，即所述虚实融合系统一般可包括高保真虚拟建模模块、虚拟装配模块、虚实数据融合模块以及虚拟决策与预报模块。下面对高保真虚拟建模模块、虚拟装配模块、虚实数据融合模块以及虚拟决策与预报模块的具体情况进行详细说明。
图1中，所述高保真虚拟建模模块包括虚拟结构试验平台、虚拟加载系统、虚拟试验工装以及虚拟传感器单元；其中，
虚拟结构试验平台，用于搭建虚拟物理试验场景，所述虚拟结构试验平台内的虚拟物理试验场景三维模型包括结构试验平台模型、试验厂房模型、液压泵源模型、冷却系统模型以及行车模型；
所述虚拟加载系统包括1000kN-30MN系列的载荷加载设备模型；
所述虚拟试验工装包括反力架模型、横梁模型、拉杆模型以及地脚螺栓模型；
所述虚拟传感器单元包括位移传感器模型、力值传感器模型、应变传感器模型和/或图像传感器模型。
具体实施时，高保真虚拟建模模块内的三维虚拟模型可用现有常用的方法构建并存储，如可采用UG、ProE等工业设计软件完成基础几何模型构建，再采用3dmax对基础模型进行贴图、渲染，最后采用uinty3d对模型进行质量、重力、弹力等物理属性添加，具体构建三维虚拟模型的方法以及过程可根据需要选择，以能构建得到所需的三维虚拟模型即可。
在船体结构的极限强度虚实融合时，所构建的三维虚拟模型至少包括虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型，上述对虚拟物理试验场景三维模型进行了举例说明；对于极限强度虚拟物理三维模型，一般可包括上述的虚拟加载系统、虚拟试验工装以及虚拟传感器单元。因此，高保真虚拟建模模块内的三维虚拟模型，主要用于下述搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统。
本发明的一种实施例中，虚拟装配模块依托于高保真虚拟建模模块，即基于虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统，搭建得到船体结构极限强度虚拟物理试验系统的方法以及过程可根据需要选择，以能得到所需的船体结构极限强度虚拟物理试验系统为准。
具体实施时，所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统一般包括虚拟物理试验场景以及基于所述虚拟物理试验场景下的极限强度虚拟物理试验平台系统；其中，利用虚拟物理试验场景模拟极限强度物理试验的场景或环境，利用极限强度虚拟物理试验平台系统可模拟对船体结构的极限强度物理试验状态，具体以能满足对船体结构进行的极限强度物理试验模拟为准。
本发明的一种实施例中，对虚实数据融合模块，具体是将船体结构极的限强度真实物理试验信息和/或船体结构的极限强度仿真计算信息进行融合，并在船体结构极限强度虚拟物理试验系统重构。
图1中，虚实数据融合模块所利用的数据源包括仿真计算结果、物理试验数据、视频图像信息，即基于仿真计算结果、物理试验数据、视频图像信息可实现结构响应场重构信息，结构响应场一般包括应变、位移以及应力场。下面对虚实融合的具体过程进行详细说明。
本发明的一种实施例中，虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括用于将一船体结构的极限强度真实物理试验中的实测应变信息在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上重构，其中，所述虚实融合方法包括：
对所述船体结构，确定所述船体结构在极限强度真实物理试验中的应变采样点分布，并建立所述船体结构的理论应变与位移对应关系；
基于上述建立的理论应变与位移对应关系，在船体结构极限强度真实物理试验中，对每个应变采样点所采样的单元实测应变信息，确定当前应变采样点基于所述单元实测应变信息的采样点位移以及采样点应力；
基于所有应变采样点的单元实测应变信息、与所有应变采样点相应的采样点位移以及采样点应力，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场，所述结构响应场包括应变、位移以及应力场；
对船体结构极限强度虚拟物理试验系统，基于上述得到的结构响应场进行所需的结构响应场实时重构，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上加载船体结构极限强度真实物理试验中的实时位移应力场信息。
对虚实融合，由图2可知，包括结构响应场实时重构，其中，结构响应场重构具体是指基于有限离散应变传感器的实测应变信息重构得到船体结构极限强度虚拟物理试验系统内船体结构三维模型的实时响应信息。
在融合时，需要船体结构在极限强度真实物理试验中的实测应变信息。为了获取实测应变信息，需要在船体结构上设置若干应变传感器，应变传感器可采用现有常用的类型，应变传感器的类型以及在船体结构上的分布可根据实际需要选择，以能满足获取船体结构的实测应变信息为准。在船体结构上设置应变传感器后，即可确定船体结果在极限强度真实物理试验中的应变采样点分布。
由于利用应变传感器仅能获取所在应变采样点的应变信息，为了获取位移以及应力场，需要建立船体结构的理论应变与位移对应关系，即利用建立的理论应变与位移关系，以及每个应变采样点的应变信息，可确定应变采用点相对应的采样点位移以及采样点应力。
对于采样点位移，具体是指对船体结构施加载荷时，施加载荷设备在所施加载荷下的位移。采样点应力，具体是指船体结构基于采样点应变传感器所检测单元应变信息，所对应的采样点应力，即在确定单元应变信息后，可得到与所述单元应变信息对应的采样点应力，单元应变信息与采样点应力间的对应关系与现有相一致，以能确定采样点应力为准。
利用多个应变传感器采集船体结构在极限强度物理试验下的单元实测应变信息后，即可基于所有应变采样点的单元实测应变信息、与所有应变采样点相应的采样点位移以及采样点应力，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场。
对船体结构进行极限强度真实物理试验过程中，可得到在当前状态下的结构响应场，即所得到的结构响应场与极限强度真实物理试验的当前状态相关。在得到当前状态的结构响应场后，可采用现有的技术手段，在船体结构极限强度虚拟物理试验系统的三维船体结构模型上进行结构响应场实时重构，从而在三维船体结构模型上加载船体结构极限强度物理试验中的实时位移应力场信息。具体实施时，重构即为重新构建整个模型。
在重构后，即可在船体结构极限强度虚拟物理试验系统的三维船体结构模型上展示与极限强度真实物理试验当前状态下相对应的实时位移应力场，可提高船体结构极限强度真实物理试验的精细化程度。
本发明的一种实施例中，对船体结构，构建所述船体结构基于NURBS基函数的四节点逆壳有限单元，基于所构建的四节点逆壳有限单元建立的船体结构的理论应变与位移对应关系，所建立的船体结构的理论应变与位移对应关系为：
其中，u为理论位移，n为船体结构上应变采样点的数量，εi为第i个应变采样点的单元理论应变信息，Ni(ξ)为第i个应变采样点的NURBS基函数，ξ为应变采样点处船体结构的参数坐标。
由上述说明可知，在确定船体结构上的应变采样点后，构建基于NURBS基函数的四节点逆壳有限单元，即采用iFEM(逆有限元法)方法，并基于四节点逆壳有限单元建立的船体结构的理论应变与位移对应关系。利用所构建的船体结构的理论应变与位移对应关系，便于确定后续的采样点位移。
本发明的一种实施例中，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场时，包括刚度不变的线性结构响应场以及刚度变化的非线性结构响应场，其中，
生成线性结构响应场时，包括：
对任一应变采样点，构建应变采样点的单元实测应变信息与单元理论应变信息的最小二乘误差函数；
对所构建的最小二乘误差函数，基于所述最小二乘误差函数取最小值，以确定当前应变采样点的采样点位移单元矩阵；
将所有应变采样点的采样点位移单元矩阵组装以形成船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成线性结构响应场，所生成的线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
具体实施时，在船体结构上加载载荷时，可得到关于载荷、刚度以及位移的关系式，当刚度呈线性变换状态时，即极限强度物理试验处于线性阶段，当刚度从线性状态发生变化时，即极限强度物理试验处于非线性阶段。一般地，在线性阶段，刚度基本保持不变或在一个允许的范围内变化，非线性阶段，刚度与在线性阶段的刚度不同。
对任一应变采样点，将所述应变采样点的应变传感器布置在所构建四节点逆壳有限单元质心处的上下表面，根据应变采样点的单元实测应变信息，即可得到上表面应变信息
以及下表面应变信息
其中，εxx为面内的应变，εyy为垂直于面板的应变，γxy为剪切应变。
对上表面应变信息
以及下表面应变信息
采用下式将表面应变转化为平面应变e与弯曲应变k，其中，h为单元厚度。
其中，n为船体结构上所布设应变传感器的数量，
为第j个应变传感器单元实测应变信息所对应的平面应变，
为第j个应变传感器单元实测应变信息所对应的弯曲应变。单元厚度h具体是指划分单元所在结构的厚度，一般情况下，船体结构极限强度真实物理试验中，船体结构厚度都是固定的，即为一常量。
构建应变采样点的单元实测应变信息与单元理论应变信息的最小二乘误差函数，则有：
其中，Φi为构建第i个应变采样点的最小二乘泛函误差函数，ui是包含节点自由度的向量；面应变、弯曲应变及横向剪切应变分量分别为e,k,g，实际试验中剪切应变可忽略不计；ωm,ωb,ωs分别为与三个应变分量相关的权重系数，分别控制数值结果和实验应变数据之间的一致性。权重系数一般可通过常用的拟合方式得到，具体确定权重系数的拟合方式可根据需要选择，以能确定得到所需的权重系数为准。
由于剪切应变可忽略不计，将单元实测应变信息代入，最小二乘误差方程可以转化为基于两个归一化欧几里得范数之和，如下所示：
其中，·2为所计算范数的平方运算，积分域Ai为应变采样点整个区域。将最小二乘误差函数关于位移向量求偏导，并令其等于0，求解最小二乘误差函数的极小值，如下式所示：
进而可以转化为平衡方程，此时，即得到第i个应变采样点的采样点位移单元矩阵，即有：keue＝fe，其中，ke为刚度，ue为位移，fe为载荷。
在得到采样点位移单元矩阵后，对于复杂曲面结构，每个单元内所建立的局部坐标系方向各不相同，因此，需要将各个单元局部坐标系统一转换至整体坐标系。结合结构位移边界约束条件，使得结构内各个逆向单元之间满足变形协调条件，进而求解所有单元的节点自由度。最后将整体坐标系下的单元矩阵，按照标准的有限元的组装步骤构建船体结构总体矩阵。
其中，Te为坐标转化矩阵，K为船体结构刚度矩阵，F为船体结构载荷矩阵，U为船体结构位移矩阵。对一确定的船体结构，坐标转化矩阵Te可采用现有常用的技术手段得到。
在得到船体结构总体矩阵后，对船体结构总体矩阵采用本技术领域常用的技术手段解析，以生成线性结构响应场，所生成的线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
本发明的一种实施例中，生成非线性结构响应场时，包括：
确定船体结构在极限强度真实物理试验中的载荷段；
在每个载荷段下，采用生成线性结构响应场的方式确定在每个载荷段下的船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成在当前载荷段下的非线性结构响应场，所生成的非线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
对一船体结构，可确定所述船体结构进行极限强度真实物理试验的试验条件，如试验时的载荷加载范围。在载荷加载时，可确定当前加载状态下的刚度，当刚度与之前的刚度一致时，即处于线性阶段，否则，进入非线性阶段。进入非线性阶段后，剩余载荷加载范围均为非线性阶段。
当进入非线性阶段后，为了准确生成非线性结构响应场，本发明的一种实施例中，将剩余加载过程分解为多个载荷段，每个载荷段均采用线性iFEM方法，即采用生成线性结构响应场的方式确定在每个载荷段下的船体结构总体矩阵。载荷段的划分，具体是指以能满足在所划分载荷段内，刚度具有线性阶段的特性。
每个载荷段下的船体结构总体矩阵，具体可以参考上述说明得到，此处不再赘述。具体实施时，对所述船体结构总体矩阵解析，且生成在当前载荷段下的非线性结构响应场后，即可确定实时线性位移-应变增量。
获取所有载荷段的船体结构总体矩阵后，根据上述说明，即生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场，具体生成结构响应场的过程可参考图3所示的流程。
本发明的一种实施例中，虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括实时匹配虚实融合，其中，
所述实时匹配虚实融合至少将船体结构的极限强度有限元计算的仿真试验结果与船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上融合；
所述实时匹配虚实融合包括极限强度有限元计算的仿真载荷位移曲线与极限强度真实物理试验的实测载荷位移曲线的实时对比，以及基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度有限元计算结果在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上的实时匹配。
由图2可知，在虚实融合时，还可以包括实时匹配虚实融合，实时匹配虚实融合为将船体结构的极限强度有限元计算的仿真试验结果与船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上融合。
下面对实施匹配的虚实融合的具体过程进行详细说明。
本发明的一种实施例中，基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度有限元计算的仿真载荷实时匹配虚实融合时，包括：
对任一实测载荷F，在极限强度仿真试验结果内进行逐帧载荷数据F′遍历索引，以F-F′最小为原则，提取相应帧内的所有数值仿真结果数据，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上进行重构展示。
具体实施时，利用有限元仿真计算软件生成极限强度仿真试验结果时，在极限强度仿真试验结果内包含多帧，一帧对应一个仿真计算载荷数据F′，因此，通过实测载荷F去与每一帧的载荷数据F′做差，将两者差值最小时对应帧下的仿真结果即在系统上调用展示，即实现重构展示。
具体实施时，在实时匹配虚实融合时，极限强度仿真试验结果由有限元仿真计算软件仿真生成，其中，
有限元仿真计算软件仿真生成极限强度仿真试验结果时，所述仿真生成的试验条件与对船体结构进行极限强度物理试验的试验条件相一致；
在实时匹配虚实融合时，先对由有限元仿真计算软件仿真生成极限强度仿真试验结果进行所需的数据解析；
对极限强度仿真试验结果的数据解析过程包括数据读取步骤、数据轻量化步骤、通用数据架构构建步骤以及Unity3d渲染步骤。
本发明的一种实施例中，所述有限元仿真计算软件包括有限元仿真软件abaqus；
执行数据读取步骤时，对有限元仿真软件abaqus的CAE结果文件读取；
执行数据轻量化步骤时，删除所读取CAE结果文件中冗余数据，并对保留的节点按顺序编号。
图4中示出了极限强度仿真试验结果的数据解析的一种流程图。具体地，数据读取步骤是针对有限元仿真计算软件abaqus，有限元仿真计算软件abaqus的odb结果文件由模型数据(Model Data)和结果数据(Result Data)两部分组成，其中，模型数据包括有限元模型的名称、计算实例、材料、节点编号及其三维坐标、单元编号与类型等；结果数据包括每一计算分析步“step”中每一计算帧“frame”的应力、应变、位移、载荷等所有计算结果。
以位移数据解析为例，首先通过“from odbAccess import*”语句导入对应的Python文件库，随后从odb对象到计算实例对象，进一步从计算实例对象到分析步对象，再从分析步对象到帧对象，最终在场输出对象中获取所有节点的位移量，具体函数如下表所示。
仿真计算结果odb文件数据结构
所述数据轻量化步骤，具体为用于对仿真计算结果数据的轻量化。仿真模型结果文件中单元、节点存在无序编号现象，导致结果文件解析过程中同一空间坐标下存在大量冗余节点，影响在虚实融合试验系统中的渲染效率。本发明的一种实施例中，通过遍历每一个节点及其与单元之间关系，删除重复节点、网格边界等空间冗余数据，并对节点进行重新按序编号。具体实施时，可利用本技术领域常用的技术手段，实现确定并删除重复节点、网格边界等空间冗余数据，具体确定并删除的技术手段可根据需要选择。
通用数据架构构建步骤，具体指针对仿真计算结果的基本数据结构设计相应函数库与数据变量，对所有仿真计算数据进行存储管理，便于虚实融合在试验过程中的后续调用。仿真计算数据结构主要包括名称、分析步、单元、节点，以及结果数据等；其中，仿真计算模型的名称、分析步、网格节点位置、编号及关联单元等模型数据由cae_model函数进行存储管理；仿真计算模型的应力、应变、位移、载荷等结果数据由cae_result函数来进行存储管理，具体函数库及主要成员变量如下表所示。
所述Unity3d渲染，用于仿真计算结果数据在虚实融合试验系统中的生成渲染与重构可视化。采用Unity3D中Mesh Filter组件下的Mesh对象，将通用数据架构中存储的仿真计算模型节点坐标赋值于Mesh对象的三角网格顶点数组Vertices，仿真计算模型的节点顺序、单元编号赋值于Mesh对象的顶点构造顺序的索引数组Triangles，仿真计算模型的应力最大值、最小值赋值于Mesh对象的颜色数组Colors，实现仿真计算结果在船体结构极限强度虚拟物理试验系统的极限强度虚拟物理试验平台系统上可视化展示。
具体实施时，利用Unity3d渲染，以将有限元仿真计算结果在极限强度虚拟物理试验平台系统上可视化展示，具体方式以及过程均与现有相一致，此处不再赘述。
由上述说明可知，在对船体结构，进行极限强度有限元计算以及极限强度真实物理试验时，能分别获取相对应的仿真载荷位移曲线以及实测载荷位移曲线。所获取的仿真载荷位移曲线、实测载荷位移曲线的情况与现有相一致，一般地，曲线的横坐标为位移，纵坐标为载荷。由于极限强度有限元计算以及极限强度真实物理试验具有相同的试验条件，因此，获取的仿真载荷位移曲线、实测载荷位移曲线可相对应。
具体实施时，将仿真载荷位移曲线以及实测载荷位移曲线相应的数据导入虚拟数据融合模块，从而可实现极限强度有限元计算的仿真载荷位移曲线与极限强度真实物理试验的实测载荷位移曲线的实时对比。
本发明的一种实施例中，实时匹配虚实融合还包括拍摄船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息，其中，
船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息导入三维虚拟模型系统，以可视化窗口方式进行所需的可视化展示；
所述可视化展示包括基于极限强度物理试验数据的实测载荷与极限强度仿真试验结果实时匹配下的状态可视化展示。
具体实施时，所述视频图像信息的分类处理集成通过网线及局域网通讯协议与本申请的虚实融合系统连接，视频图像信息一般由监控主机控制，访问监控主机取流地址，以获取实时视频信号导入本发明的虚实融合，最终以可视化窗口形式进行展示。
具体实施时，视频融合实为在系统里引入船体结构的极限强度真实物理试验的视频监控，就是通过摄像头的ip地址读取实时信号，从而在本发明的虚实融合系统内实时展示，以达到在试验过程中无需切换到视频监控软件查看现场试验状态。
对虚拟决策与预报模块，图1中，具体包括虚实数据对比分析技术、虚实融合演示技术、试验全过程VR场景漫游；其中，虚实数据对比分析技术、虚实融合演示技术、试验全过程VR场景漫游，具体可采用现有常用的技术手段实现，如通过虚实数据对比分析技术可实现上述仿真载荷位移曲线以及实测载荷位移曲线的对比，利用虚实融合演示技术可实现仿真载荷实时匹配虚实融合；对试验过程视频信息，可利用试验全过程VR场景漫游，可实现VR方式的可视化展示。
综上，一种船体结构极限强度试验用虚实融合方法，对一船体结构，获取所述船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据和/或船体结构的极限前端股仿真物理试验的仿真试验数据，其中，
对真实试验数据、仿真试验数据利用上述的虚实融合系统进行所需的虚实融合。
此外，在具体融合工作时，相应的工作过程包括以下步骤：
S1、试验人员基于物理试验方案将物理试验模型、物理试验配套工装、物理传感器进行安装，完成物理试验系统搭建；
S2、试验人员根据物理试验在高保真虚拟建模模块中选择虚拟试验模型和虚拟试验装置，通过虚拟装配模块进行组搭，在虚拟试验模型上安装虚拟传感器并通过网络硬件连接试验数据采集仪，完成虚拟试验系统搭建；
S3、试验人员开始船体结构极限强度物理试验，通过虚实数据融合模块导入物理实测数据与虚拟仿真数据，基于实测数据完成试验模型结构响应场重构；
S4、试验人员基于虚拟决策与预报模块得到的实时虚实结构响应对比、关键节点实时对比分析曲线，实时监测试验模型内部状态，智能选取物理试验加载控制模式切换点，提高试验精细化程度；
S5、试验人员通过虚拟决策与预报模块，开展半物理试验，综合分析物理试验结果与虚拟试验结果，重点分析试验模型局部结构响应、损伤演化失效规律，识别试验模型失效模式，预报试验模型结构性能边界。
综上，将极限强度真实物理试验的真实物理试验信息(实测应变、位移、载荷，视频监控)与极限强度有限元计算的仿真试验信息(仿真应变、位移、载荷，三维结构响应)融合于所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统，有利于船舶结构极限强度试验的现实呈现，极大的增强了试验的可视化和可复现化。
本发明利用虚实融合中的非线性应力场实时重构以及实时匹配虚实融合，有效指导物理试验开展，提高试验精细化程度；针对传统视频监控在试验过程中只能监测试验对象外部信息的问题，将试验过程视频信息融合，可在试验过程中进入虚拟空间实时监测结构内部响应状态，无需进入试验现场便可准确掌握试验对象内外全部状态信息，在保证安全性的前提下大大提高了试验过程中的信息获取量。
Claims (10)
1.一种船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，包括：
高保真虚拟建模模块，用于构建船体结构极限强度试验用的三维虚拟模型，其中，所构建三维虚拟模型至少包括用于搭建虚拟物理试验场景的虚拟物理试验场景三维模型以及用于搭建船体结构极限强度虚拟物理试验的极限强度虚拟物理试验三维模型；
虚拟装配模块，基于高保真虚拟建模模块内构建的虚拟物理试验场景三维模型以及极限强度虚拟物理试验三维模型搭建船体结构极限强度虚拟物理试验系统，其中，所搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统包括虚拟物理试验场景以及基于所述虚拟物理试验场景下的极限强度虚拟物理试验平台系统；
虚实数据融合模块，用于将船体结构极限强度真实物理试验信息和/或船体结构的极限强度仿真计算信息在上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合，以实现船体结构极限强度试验的响应场重构；
虚拟决策与预报模块，用于将上述搭建的船体结构极限强度虚拟物理试验系统和/或响应场重构后的船体结构极限强度虚拟物理试验系统进行所需的展示。
2.根据权利要求1所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，所述高保真虚拟建模模块包括虚拟结构试验平台、虚拟加载系统、虚拟试验工装以及虚拟传感器单元；其中，
虚拟结构试验平台，用于搭建虚拟物理试验场景，所述虚拟结构试验平台内的虚拟物理试验场景三维模型包括结构试验平台模型、试验厂房模型、液压泵源模型、冷却系统模型以及行车模型；
所述虚拟加载系统包括1000kN-30MN系列的载荷加载设备模型；
所述虚拟试验工装包括反力架模型、横梁模型、拉杆模型以及地脚螺栓模型；
所述虚拟传感器单元包括位移传感器模型、力值传感器模型、应变传感器模型和/或图像传感器模型。
3.根据权利要求1所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括用于将一船体结构的极限强度真实物理试验中的实测应变信息在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上重构，其中，所述虚实融合方法包括：
对所述船体结构，确定所述船体结构在极限强度真实物理试验中的应变采样点分布，并建立所述船体结构的理论应变与位移对应关系；
基于上述建立的理论应变与位移对应关系，在船体结构极限强度真实物理试验中，对每个应变采样点所采样的单元实测应变信息，确定当前应变采样点基于所述单元实测应变信息的理论采样点位移以及采样点应力；
基于所有应变采样点的单元实测应变信息、与所有应变采样点相应的理论采样点位移以及采样点应力，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场，所述结构响应场包括应变、位移以及应力场；
对船体结构极限强度虚拟物理试验系统，基于上述得到的结构响应场进行所需的结构响应场实时重构，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上加载船体结构极限强度真实物理试验中的实时位移应力场信息。
4.根据权利要求3所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，对船体结构，构建所述船体结构基于NURBS基函数的四节点逆壳有限单元，基于所构建的四节点逆壳有限单元建立的船体结构的理论应变与位移对应关系，所建立的船体结构的理论应变与位移对应关系为：
其中，u为理论位移，n为船体结构上应变采样点的数量，εi为第i个应变采样点的单元应变信息，Ni(ξ)为第i个应变采样点的NURBS基函数，ξ为应变采样点处船体结构的参数坐标。
5.根据权利要求4所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，生成船体结构在极限强度真实物理试验时的结构响应场时，包括刚度不变的线性结构响应场以及刚度变化的非线性结构响应场，其中，
生成线性结构响应场时，包括：
对任一应变采样点，构建应变采样点的单元实测应变信息与单元理论应变信息的最小二乘误差函数；
对所构建的最小二乘误差函数，基于所述最小二乘误差函数取最小值，以确定当前应变采样点的理论采样点位移单元矩阵；
将所有应变采样点的理论采样点位移单元矩阵组装以形成船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成线性结构响应场，所生成的线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
6.根据权利要求5所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，生成非线性结构响应场时，包括：
确定船体结构在极限强度真实物理试验中的非线性载荷段；
在每个载荷段下，采用生成线性结构响应场的方式确定在每个载荷段下的船体结构总体矩阵；
对所述船体结构总体矩阵解析，以生成在当前载荷段下的非线性结构响应场，所生成的非线性结构响应场包括船体在当前极限强度物理试验状态下的船体应变、船体应力以及施加载荷时的位移。
7.根据权利要求1至6任一项所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，虚实数据融合模块在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上虚实融合时，所述虚实融合包括实时匹配虚实融合，其中，
所述实时匹配虚实融合至少将船体结构的极限强度有限元计算的仿真试验结果与船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上融合；
所述实时匹配虚实融合包括极限强度有限元计算的仿真载荷位移曲线与极限强度真实物理试验的实测载荷位移曲线的实时对比，以及基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度仿真计算结果在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上的实时匹配。
8.根据权利要求7所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，基于极限强度真实物理试验的实测载荷与极限强度仿真结果的仿真载荷实时匹配虚实融合时，包括：
对任一实测载荷F，在极限强度仿真试验结果内进行逐帧载荷数据F′遍历索引，以|F-F′｜最小为原则，提取相应帧内的所有数值仿真结果数据，以在船体结构极限强度虚拟物理试验系统上进行重构展示。
9.根据权利要求7所述的船体结构极限强度试验用虚实融合系统，其特征是，实时匹配虚实融合还包括拍摄船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息，其中，
船体结构的极限强度物理试验的试验过程视频信息导入虚实融合试验系统，以可视化窗口方式进行所需的可视化展示；
所述可视化展示包括基于极限强度物理试验视频信息与极限强度仿真试验结果实时匹配下的状态可视化展示。
10.一种船体结构极限强度试验用虚实融合方法，其特征是，对一船体结构，获取所述船体结构的极限强度真实物理试验的真实试验数据和/或船体结构的极限强度有限元计算的仿真试验数据，其中，
对真实试验数据、仿真试验数据利用上述权利要求1～权利要求9任一项的虚实融合系统进行所需的虚实融合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444298.6A CN115758576A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444298.6A CN115758576A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115758576A true CN115758576A (zh) | 2023-03-07 |
Family
ID=85373800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211444298.6A Pending CN115758576A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115758576A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116062198A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-05-05 | 中山大学 | 面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法 |
| CN117131714A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 中船奥蓝托无锡软件技术有限公司 | 基于虚实融合的装备性能试验方法 |
-
2022
- 2022-11-18 CN CN202211444298.6A patent/CN115758576A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116062198A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-05-05 | 中山大学 | 面向超大型航天结构的虚实融合地面试验系统及方法 |
| CN117131714A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 中船奥蓝托无锡软件技术有限公司 | 基于虚实融合的装备性能试验方法 |
| CN117131714B (zh) * | 2023-10-27 | 2024-01-26 | 中船奥蓝托无锡软件技术有限公司 | 基于虚实融合的装备性能试验方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115758576A (zh) | 船体结构极限强度试验用虚实融合系统及方法 | |
| CN113806978A (zh) | 基于bim-fem的桥梁结构数字孪生体及方法 | |
| CN107273566B (zh) | 一种构建复杂形体引力梯度场的计算方法 | |
| CN112989491B (zh) | 基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统 | |
| CN111881495A (zh) | 基于数字孪生的预应力钢结构安全评估方法 | |
| CN114707390B (zh) | 基于分层壳材料本构参数更新混合试验方法及分析方法 | |
| CN107729582A (zh) | 基于tls的构件缺陷监测与预测系统 | |
| CN108639374A (zh) | 一种飞机部件数字化装配实测数据处理方法及系统 | |
| Du et al. | Industrial robot digital twin system motion simulation and collision detection | |
| CN118332655A (zh) | 一种道路桥梁检测方法、系统及存储介质 | |
| Dascotte | Model updating for structural dynamics: past, present and future outlook | |
| WO2008129561A2 (en) | Real-time system and method for designing structures | |
| CN116702571A (zh) | 基于多重光滑度量因子的数值模拟方法及装置 | |
| CN111916160A (zh) | 一种计算材料裂纹尖端应力场系数的方法 | |
| CN116227045A (zh) | 一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统 | |
| CN114113900A (zh) | Gil检测系统及其使用方法 | |
| Zhao et al. | Finite element model updating based on response reconstruction using a modified Kalman filter | |
| Kopsaftopoulos et al. | Vibration–based structural damage detection and precise assessment via stochastic functionally pooled models | |
| Qi et al. | Image-Based Modeling and Numerical Simulation Analysis of Transmission Towers | |
| Wei et al. | Real-time simulation of ship structure based on virtual-real fusion interaction | |
| Kumar et al. | Calibration design evaluations through computational analysis and investigation of a six-component wind tunnel balance | |
| CN118095016B (zh) | 基于逆元法与有限元刚度矩阵构建的载荷识别方法 | |
| Paschke et al. | Digital Prototyping–Modelling Concepts for a Generative Computer Based-Design of Complex Tensile Structures | |
| Dai et al. | Impacts of the weight coefficient and modal assurance criterion of large structures on observation station selection and optimization | |
| Morris et al. | Uncertainty propagation via Monte Carlo simulation in the PWT and VKF wind tunnels at AEDC |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |