CN116227045A - 一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结构试件的局部应力应变场构造方法，本发明的方法首先在强度试验过程中，根据结构试件局部试验重点区域布置的应变传感器的测点测得的应力值和应变数值，然后利用径向基函数插值算法构造出该试验重点区域的应力应变场，本发明能够帮助强度试验人员准确评估该试验重点区域的应力应变分布趋势，判断是否符合试验加载条件下的理论要求，确定试验加载方法正确，试验结果可靠。

Description

一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统

技术领域

本发明涉及应力应变分析技术领域，特别是涉及一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统。

背景技术

确定受力物体内部的应力场和应变场一直是固体力学研究领域十分重要的组成部分，长期以来,学者们从理论和试验的角度来探索和研究建立受力后符合各种物理特征物体内部的应力场和应变场的理论和实验的方法。在装备研制工程领域，对应变场与应力场的试验测试和仿真尤为重要，如在飞机研制过程中，要进行大量的强度试验和仿真分析，而强度试验主要是为了获取飞机结构的应力应变分布。

目前装备的强度试验过程中，只能根据获取到应变片测点对应的应力应变值绘制单个测点的应力应变曲线，不能准确反映试验重点区域应力应变变化趋势，不能提供试验加载方法和结果的快速判断依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统，以准确反映试验重点区域应力应变变化趋势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种结构试件的局部应力应变场构造方法，所述方法包括如下步骤：

根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型；

在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；所述试验重点区域为结构试件的连接位置所在区域及孔位置所在区域；

对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；所述测量值包括基于应变传感器测量的应变值和应力值；

基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；所述径向基函数用于表征坐标信息与测量值的关系；

基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；所述径向基函数值包括基于径向基函数获得的应力值和应变值；

根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。

可选的，所述径向基函数为：

其中，f(x)表示径向基函数值，包含基于径向基函数获得的应力值和应变值，c₀、c₁和λ_i均为径向基函数的系数，x为结构试件表面任意一点的坐标信息，x_i为第i个表征坐标信息，n为表征坐标信息的数量，表征坐标信息为从所有应变传感器的坐标信息中选取的，

为多项式函数，表达式：/>

σ是形状参数。

可选的，所述基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数，具体包括：

构建目标函数为：

其中，F为目标函数值，f(x_j)为第j个应变传感器的坐标信息对应的径向基函数值，x_j为第j个应变传感器的坐标信息，y_j为第j个应变传感器的测量值；N为布置的应变传感器的数量；

采用优化算法确定使所述目标函数最优时的径向基函数的系数的值。

可选的，所述优化算法为粒子群算法。

可选的，所述基于每个所述应变传感器的坐标信息、应力值和应变值，构建径向基函数，具体包括：

将m个应变传感器的坐标信息和测量值分别作为径向基函数中的x值和f(x)值，构建包含m个方程的方程组；其中，n+2≤m≤N，N为布置的应变传感器的数量；

求解所述方程组，获得径向基函数的各系数的值。

一种结构试件的局部应力应变场构造系统，所述系统应用于上述的方法，包括：

有限元网格模型构建模块，用于根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型；

应变传感器布置模块，用于在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；所述试验重点区域为结构试件的连接位置所在区域及孔位置所在区域；

测量值获取模块，用于对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；所述测量值包括基于应变传感器测量的应变值和应力值；

径向基函数构建模块，用于基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；所述径向基函数用于表征坐标信息与测量值的关系；

插值模块，用于基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；所述径向基函数值包括基于径向基函数获得的应力值和应变值；

应力应变分布云图生成模块，用于根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种结构试件的局部应力应变场构造方法，所述方法包括如下步骤：根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型；在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。本发明的方法能够在强度试验过程中，根据结构试件局部试验重点区域布置的应变传感器的测点测得的应力值和应变数值，利用径向基函数插值算法构造出该试验重点区域的应力应变场，能够帮助强度试验人员准确评估该试验重点区域的应力应变分布趋势，判断是否符合试验加载条件下的理论要求，确定试验加载方法正确，试验结果可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种结构试件的局部应力应变场构造方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的结构试件的结构模型的示意图；

图3为本发明实施例提供的结构试件的有限元网格模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的应变传感器的布置位置的界面显示图；

图5为本发明实施例提供的传感器布置方案的界面显示图；

图6为本发明实施例提供的试验重点区域的网格节点的界面显示图；

图7为本发明实施例提供的试验重点区域的网格节点的坐标信息的界面显示图；

图8为本发明实施例提供的网格节点的坐标信息的界面显示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统，以准确反映试验重点区域应力应变变化趋势。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种结构试件的局部应力应变场构造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在强度试验开始前，根据设计人员提供的结构试件的结构模型，如图2所示，利用前处理软件，创建得到有限元网格模型，如图3所示。

步骤2：根据设计人员确定的试验重点区域(包括连接位置所在区域及孔位置所在区域)，在结构试件的结构模型基础上按照布置应变传感器，得到包含坐标信息的传感器布置方案，如图4和图5所示。

步骤3：试验人员根据传感器布置方案在结构试件表面的对应位置粘贴应变传感器的应变片(该应变传感器首先根据应变片获得应变值，然后根据应变与应力的对应关系获得应力值)。

步骤4：强度试验过程中，通过与应变传感器连接的应变仪采集应变传感器的数据，即应变传感器对应测点位置的应变值和应力值。

步骤5：从步骤1中的有限元网格模型中选取试验重点区域的网格节点及单元，如图6和图7所示，图7中，Part Instance为零件实例，Node ID为网格节点ID，Orig.Coords为网格节点的原始坐标，即实际坐标，Def.Coords为网格节点的定义坐标，即在有限元网格模型中获取的坐标。

步骤6：将步骤4得到的应变值和应力值及应变传感器所在的测点对应的坐标信息，利用径向基函数插值算法进行计算得到径向基函数表达式的系数；其中，径向基函数表达式如下：

其中，c₀、c₁、λ_i均为径向基函数的系数，x_i是第i个表征坐标信息，n为表征坐标信息的数量，表征坐标信息为从所有应变传感器的坐标信息中选取的已知的数据点，

为多项式函数，表达式：/>

σ是形状参数。

示例性的，径向基函数表达式的系数的值的计算方式为：

构建目标函数为：

其中，F为目标函数值，f(x_j)为第j个应变传感器的坐标信息对应的径向基函数值，x_j为第j个应变传感器的坐标信息，y_j为第j个应变传感器的测量值；N为布置的应变传感器的数量；

采用优化算法确定使所述目标函数最优时的径向基函数的系数的值；其中该优化算法可以为粒子群算法，也可以为其他算法。

示例性的，径向基函数表达式的系数的值的计算方式还可以为：

将m个应变传感器的坐标信息和测量值分别作为径向基函数中的x值和f(x)值，构建包含m个方程的方程组；其中，n+2≤m≤N，N为布置的应变传感器的数量；

求解所述方程组，获得径向基函数的各系数的值。

步骤7：根据上一步得到的径向基函数表达式的系数的值，将步骤5中选取的网格节点的坐标信息作为输入值，利用径向基函数得到各网格节点的应力值和应变值。

步骤8：利用云图显示工具将步骤7得到的各网格节点的应力值和应变值在试验重点区域的网格上进行渲染显示，得到应力应变分布云图，如图8所示。

本发明实施例1得到的应力应变分布云图，可以用来判断该试验重点区域的应力应变分布趋势是否与试验实际加载条件下应力应变理论分布一致，如两者一致，则可初步确定试验加载方法正确，试验结果可靠。

实施例2

本发明实施例2提供所述系统应用于实施例1所述的方法，包括：

有限元网格模型构建模块，用于根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型。

应变传感器布置模块，用于在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；所述试验重点区域为结构试件的连接位置所在区域及孔位置所在区域；该应变传感器布置模块主要用于生成实施例1中的传感器布置方案，使试验人员可以根据该传感器布置方案进行传感器的布置。

测量值获取模块，用于对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；所述测量值包括基于应变传感器测量的应变值和应力值；该测量值获取模块获取模块主要用于强度试验过程中各应变传感器输出的应力值和应变值的采集。

径向基函数构建模块，用于基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；所述径向基函数用于表征坐标信息与测量值的关系。

插值模块，用于基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；所述径向基函数值包括基于径向基函数获得的应力值和应变值。

应力应变分布云图生成模块，用于根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。

本发明实施例提供的各模块的具体实现步骤与上述实施例1所述的验证方法各步骤的实现方法，及其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述方法实施例的介绍。

实施例3

本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1的方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例4

本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现实施例1的方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种结构试件的局部应力应变场构造方法及系统，主要基于强度试验过程中应变仪采集获取到的应变值和应变值。本发明根据结构试件有限元网格模型获得试验重点区域网格节点，基于该试验重点区域布置的应变片的测点测得应力值和应变值，利用径向基函数插值方法在网格节点上进行插值，得到该试验重点区域的应力应变场。本发明能够提供强度试验条件下的试验重点区域的应力应变梯度变化趋势，为结构件设计的评估提供依据。本发明以试验数据为基础，通过径向基函数插值算法，得到应力应变分布趋势，判断是否符合试验加载条件下的理论要求，确定试验加载方法正确，试验结果可靠。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种结构试件的局部应力应变场构造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型；

在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；所述试验重点区域为结构试件的连接位置所在区域及孔位置所在区域；

对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；所述测量值包括基于应变传感器测量的应变值和应力值；

基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；所述径向基函数用于表征坐标信息与测量值的关系；

基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；所述径向基函数值包括基于径向基函数获得的应力值和应变值；

根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。

2.根据权利要求1所述的结构试件的局部应力应变场构造方法，其特征在于，所述径向基函数为：

其中，f(x)表示径向基函数值，包含基于径向基函数获得的应力值和应变值，c₀、c₁和λ_i均为径向基函数的系数，x为结构试件表面任意一点的坐标信息，x_i为第i个表征坐标信息，n为表征坐标信息的数量，表征坐标信息为从所有应变传感器的坐标信息中选取的，

为多项式函数，表达式：/>

σ是形状参数。

3.根据权利要求2所述的结构试件的局部应力应变场构造方法，其特征在于，所述基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数，具体包括：

构建目标函数为：

其中，F为目标函数值，f(x_j)为第j个应变传感器的坐标信息对应的径向基函数值，x_j为第j个应变传感器的坐标信息，y_j为第j个应变传感器的测量值；N为布置的应变传感器的数量；

采用优化算法确定使所述目标函数最优时的径向基函数的系数的值。

4.根据权利要求3所述的结构试件的局部应力应变场构造方法，其特征在于，所述优化算法为粒子群算法。

5.根据权利要求2所述的结构试件的局部应力应变场构造方法，其特征在于，所述基于每个所述应变传感器的坐标信息、应力值和应变值，构建径向基函数，具体包括：

将m个应变传感器的坐标信息和测量值分别作为径向基函数中的x值和f(x)值，构建包含m个方程的方程组；其中，n+2≤m≤N，N为布置的应变传感器的数量；

求解所述方程组，获得径向基函数的各系数的值。

6.一种结构试件的局部应力应变场构造系统，其特征在于，所述系统应用于权利要求1-5任一项所述的方法，包括：

有限元网格模型构建模块，用于根据结构试件的结构模型生成结构试件的有限元网格模型；

应变传感器布置模块，用于在结构试件的试验重点区域布置多个应变传感器，并记录每个所述应变传感器的坐标信息；所述试验重点区域为结构试件的连接位置所在区域及孔位置所在区域；

测量值获取模块，用于对所述结构试件进行强度试验，获取强度试验过程中每个所述应变传感器的测量值；所述测量值包括基于应变传感器测量的应变值和应力值；

径向基函数构建模块，用于基于每个所述应变传感器的坐标信息和测量值，构建径向基函数；所述径向基函数用于表征坐标信息与测量值的关系；

插值模块，用于基于所述径向基函数确定所述有限元网格模型中的所述试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值；所述径向基函数值包括基于径向基函数获得的应力值和应变值；

应力应变分布云图生成模块，用于根据试验重点区域的每个网格节点的径向基函数值，生成试验重点区域的应力应变分布云图。

7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。

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