CN116244886B - 一种虚实试验数据匹配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚实试验数据匹配方法及系统，属于数据匹配领域，方法包括：获取虚拟试验仿真结果；对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元、网格积分点以及第一结果数据；利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系；根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器；利用所述传感器获取实测试验数据；对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据；根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点、网格单元或者网格积分点进行匹配。本发明能够将虚拟试验数据和物理试验实测数据进行匹配。

Description

一种虚实试验数据匹配方法及系统

技术领域

本发明涉及数据匹配领域，特别是涉及一种虚实试验数据匹配方法及系统。

背景技术

复杂装备组成复杂、涉及专业众多、设计研发难度大、试验验证类型多、试验成本高。随着现代装备研制技术的快速发展，在物理试验之前进行结构模型的数字化仿真试验已成为复杂装备试验研究的必备手段。但是在进行物理试验后，并没有对虚拟仿真数据和物理试验数据进行全面、实时、有效的分析比对，这是因为巨量的数据比对工作需要人工介入，此过程会耗费大量人力物力而且无法实现实时性，无法及时评估物理试验数据的可靠性，无法及时验证数字化试验模型及结果的可信度，无法及时改进物理试验方案，不经评估的连续物理试验有可能造成严重的试验资源浪费。虚拟仿真试验并不能直接等效物理试验，虚拟试验结果也不能直接认为就是物理试验结果。评价虚拟试验结果的有效性，需要对虚拟试验进行验证，确认虚拟试验模型的可信度，保证虚拟试验的结果和物理试验结果相吻合。此外国外采用虚拟试验验证技术,以“虚实融合”作为试验发展的重要方向，取得明显收益。国外的试验验证技术对我国设计单位技术封锁，试验验证软件受制于人。因此需要提出一套适合我国装备试验领域的虚实结合匹配验证方法，提高试验验证工业软件自主可控水平，解决虚实匹配验证受制于人、能力不足问题。

虚实结合匹配验证过程中需要将虚拟试验数据和物理试验实测数据进行匹配，所以本发明提供一种虚拟试验数据和物理试验实测数据匹配方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚实试验数据匹配方法及系统，能够将虚拟试验数据和物理试验实测数据进行匹配。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种虚实试验数据匹配方法，包括：

获取虚拟试验仿真结果；

对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元、网格积分点以及第一结果数据；

利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系；

根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器；

利用所述传感器获取实测试验数据；

对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据；

根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点、网格单元或者网格积分点进行匹配。

可选的，所述传感器位置坐标为三维坐标。

可选的，所述试验件模型与试验件在同一坐标系下。

可选的，所述试验数据为静强度试验数据或者温度试验数据。

可选的，所述传感器包括应变片花片、应变片单片、位移传感器和温度传感器。

可选的，采用空间最小距离法将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配。

可选的，在CATIA中利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计。

一种虚实试验数据匹配系统，包括：

虚拟试验仿真结果获取模块，用于获取虚拟试验仿真结果；

第一解析模块，用于对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元以及第一结果数据；

安装设计模块，用于利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系；

传感器布设模块，用于根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器；

实测试验数据获取模块，用于利用所述传感器获取实测试验数据；

第二解析模块，用于对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据；

数据匹配模块，用于根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的虚实试验数据匹配方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的虚实试验数据匹配方法。

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：

利用本发明的方法和系统，能够将虚拟试验数据和物理试验实测数据进行匹配。

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为本发明虚实试验数据匹配方法流程图。

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虚实试验数据匹配方法及系统，能够将虚拟试验数据和物理试验实测数据进行匹配。

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。

图1为本发明虚实试验数据匹配方法流程图，如图1所示，一种虚实试验数据匹配方法，包括：

步骤1：获取虚拟试验仿真结果。

步骤2：对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元以及第一结果数据。

虚拟试验的网格模型一般包含仿真单元，包括网格单元号，网格类型，网格上的节点号。使用脚本程序对虚拟试验的网格文件进行解析，(备注：解析即对仿真网格文件bdf的解析，解析出网格单元、网格单元上的网格节点坐标，网格单元上的积分点坐标，就能完成对网格节点或者积分点的坐标提取，完成网格单元号、节点号、节点坐标的数据提取。仿真与物理试验数据中的测点匹配，只用到仿真单元号、节点号、节点坐标、测点编号(传感器编号)、测点坐标。仿真结果值和试验结果值也是根据测点匹配上之后进行匹配的。)根据不同的仿真数据表头和卡片元素，提取到网格节点、网格单元。对仿真结果文件进行解析，根据不同试验类型仿真值字段提取各加载级下的第一结果数据(如加载级、应力、应变、位移，数据根据实际情况决定，不唯一)，保存在仿真结果数据库中。

例如：对静强度虚拟试验仿真结果文件(即虚拟试验的数据结果)进行网格节点和网格单元提取。提取到网格节点和单元是根据仿真网格文件bdf文件通常包含节点GRID卡片和网格单元卡片。节点GRID卡片的参数包括节点编号、节点的XYZ坐标值。单元卡片包括梁单元CBAR、四边形单元CQUAD4、六面体单元CHEXA等，单元卡片包括单元编号和相关联的节点编号。仿真结果文件(格式会根据专业数据类型不同而不同)，比如Natran求解器计算的op2文件(含有体单元、壳单元、梁单元、材料、应力数据、应变数据、位移数据、加载级的工况等)。仿真结果文件中一含有DISPLACEMENT位移字段、STRESS应力字段、STRAIN应变字段。根据不同的字段进行不同加载级下的仿真值提取。位移值采用节点上的位移值，应变、应力值采用单元上的应变、应力值。

静强度试验中主要提取不同加载工况下各个仿真单元如体单元、壳单元、梁单元的应力、应变、网格节点的位移等信息。温度仿真虚拟试验提取的是时间、温度值。

具体过程为：使用脚本程序解析仿真结果文件中的；使用脚本程序解析仿真结果文件中的节点信息，包括节点号和节点坐标；使用脚本程序解析仿真结果文件中的仿真单元在不同加载级下的应力信息；使用脚本程序解析仿真结果文件中的仿真单元在不同加载级下的应变信息；使用脚本程序解析仿真结果文件中的仿真节点对应的位移信息使用脚本程序解析仿真结果文件中的节点号和温度信息。

再例如：导入温度虚拟试验仿真网格bdf文件和结果文件f06文件，采用脚本程序解析出网格单元、网格节点，温度和时间值，解析出的各个时间点下的各个网格节点的温度。仿真网格文件bdf文件通常包含节点GRID卡片和网格单元卡片。节点GRID卡片的参数包括节点编号、节点的XYZ坐标值。单元卡片包括梁单元CBAR、四边形单元CQUAD4、六面体单元CHEXA等，单元卡片包括单元编号和相关联的节点编号。温度仿真结果文件中TEMPERATUREVECTO部分含有SUBCASE工况、TIME时间、VALUE温度值。对这些数据提取整理。将各个节点的各个时间点下的温度值存入数据库中。

步骤3：利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系。

在三维软件如CATIA中使用传感器布局设计系统SEDIS(该系统为瑞风协同研发的商用软件)在试验件模型上进行传感器安装设计。试验件与仿真模型在同一坐标系下，不在的需要转化坐标系。传感器类型有应变片花片、应变片单片、位移传感器、温度传感器。传感器编号唯一，传感器清单可以导出含有传感器编号和安装位置坐标点的Excel文件，用于后续比对，也可以指导试验现场工人粘贴传感器。

步骤4：根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器。

步骤5：利用所述传感器获取实测试验数据。

步骤6：对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据。

在试验件上安装传感器的位置，通过导入步骤3得到的Excel文件到试验数据库中。该EXCEL文件中包含传感器编号、安装传感器位置的X坐标、Y坐标和Z坐标。(与仿真模型属于同一坐标系下坐标值)。完成传感器编号与安装坐标的对应。

用脚本程序对采集到的试验数据(物理试验数据)进行解析，将解析结果保存在物理试验数据库中。

若为静强度试验，则分析出测点传感器编号、对应的应变、位移，计算出相应的应力。从而得到各个加载级工况下的传感器编号对应的应力、应变、位移；若为温度试验的话分析提取出随时间变化的温度值。

步骤7：根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配。

根据上述步骤得到的传感器安装坐标、仿真节点坐标、仿真单元将虚拟实验数据与物理实验数据进行虚实匹配，得到对应映射关系表。

其中映射关系采用空间最小距离法实现，具体为调用坐标匹配算法采用物理试验中传感器实际测点坐标与虚拟仿真网格节点的距离关系来进行判断。如选取与传感器测点坐标距离最近的仿真节点进行匹配或找出传感器测点坐标所在网格单元，将网格单元节点计算值插值到实际传感器坐标位置进行匹配。保存传感器实际测点编号与最近仿真节点的对应映射关系。

具体的，匹配方法如下：

根据数据类型不同选择不同的算法：根据试验专业，决定测量参数从有限元节点还是有限元单元或单元上积分点取值，如果从节点取值，则采用测点与有限元节点坐标匹配算法。如果从有限元单元或单元上积分点取值，则采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法。如：静强度试验中，位移数据需要从有限元节点取值，采用测点与有限元节点坐标匹配算法；应力应变需要从有限元单元或积分点上取值，采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法。

测点匹配算法：

在仿真数据和物理试验实时比对分析时，将传感器试验采集数据和传感器对应位置的有限元计算数据进行实时比对。首先要将试验实际测点位置与仿真单元、节点调用坐标匹配算法进行精准匹配。

虚实对比器中，实现了两种测点匹配算法，一种是测点与有限元网格节点坐标匹配算法，坐标匹配算法采用实际测点坐标与有限元网格节点的距离关系来进行判断，采用最小距离法实现；一种是测点与有限元单元或积分点进行匹配，根据实际测点坐标，采用点坐标到单元面投影方法，找到最近的投影单元，再根据单元编号获得单元上的积分点，采用最小距离法获得最近的积分点。

测点与有限元节点坐标匹配算法步骤：

a、获得虚拟仿真模型有限元节点坐标(x,y,z)集合；

b、遍历虚拟仿真模型有现有节点坐标集合；

c、采用空间距离公式根号下[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]，求测点到所有节点的距离，得到测点到所有节点距离集合；

d、通过遍历比较的方法，得到测点到所有节点距离集合中最短距离；

e，获得最短距离节点编号，保存测点编号和最短距离节点编号的映射关系。

测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法步骤：

a、获得虚拟仿真模型有限元单元集合；

b、求得平面方程法向量。遍历虚拟仿真模型有限元单元，获得有限元单元上三个节点值，代入用空间平面方程Ax+By+Cz+D＝0,求得方程系数A、B、C、D，从而得到平面方程法向量(A，B，C)；

c、求测点N(a,b,c)到有限元单元平面的投影点N1(x,y,z)。根据平面法向量(A，B，C)得到公式(x-a)/A＝(y-b)/B＝(z-c)/C＝t，求得x＝At+a，y＝Bt+b，z＝Ct+c，再代入平面方程求得t＝(Aa+Bb+Cc+D)/(A^2+B^2+C^2)，从而获得投影点N1(x,y,z)坐标；

d、求测点N(a,b,c)到投影点N1(x,y,z)的距离。利用空间两点距离公式根号下[(a-x)^2+(b-y)^2+(c-z)^2]，获得两点距离D；

e，求测点N(a,b,c)到所有有限元平面的最短距离。循环遍历有限元单元平面，重复步骤c、步骤d，求得测点N(a,b,c)到所有有限元单元的距离，通过比对，获得最短距离，从而获得最短距离的有限元单元面；

f，求测点N(a,b,c)到有限元单元面上距离最近的积分点。遍历获取积分点空间坐标(x1,y1,z1)，采用空间距离公式根号下[(x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1)^2]求得测点(a，b,c)到积分点(x1，y1,z1)的距离，通过判断距离大小，求得最近的积分点坐标，从而获得最近的积分点编号；

g、保存测点编号与最近投影单元及单元积分点的对应关系表。

虚拟试验仿真节点(积分点)与实际传感器位置点映射是虚实数据验证评估的基础，映射关系表如下：

名称	元素1
		仿真节点(积分点)	ID号
应变片	编号
		位移传感器	编号
温度传感器	编号

基于上述方法，本发明还公开了一种虚实试验数据匹配系统，包括：

虚拟试验仿真结果获取模块，用于获取虚拟试验仿真结果。

第一解析模块，用于对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元以及第一结果数据。

安装设计模块，用于利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系。

传感器布设模块，用于根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器。

实测试验数据获取模块，用于利用所述传感器获取实测试验数据。

第二解析模块，用于对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据。

数据匹配模块，用于根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配。

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 (9)

1.一种虚实试验数据匹配方法，其特征在于，包括：

获取虚拟试验仿真结果；

对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元以及第一结果数据；

利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系；

根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器；

利用所述传感器获取实测试验数据；所述试验数据为静强度试验数据或者温度试验数据；静强度试验提取不同加载工况下各个仿真单元的应力、应变及网格节点的位移；温度仿真虚拟试验提取时间及温度值；

对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据；

根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配；采用点坐标到单元面投影方法及空间最小距离法将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配；根据数据类型不同选择不同的算法；根据试验专业，决定测量参数从有限元节点还是有限元单元或单元上积分点取值，如果从节点取值，则采用测点与有限元节点坐标匹配算法；如果从有限元单元或单元上积分点取值，则采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法；静强度试验中，位移数据从有限元节点取值，采用测点与有限元节点坐标匹配算法；应力应变从有限元单元或积分点上取值，采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法；坐标匹配算法采用实际测点坐标与有限元网格节点的距离关系来进行判断，采用最小距离法实现；采用点坐标到单元面投影方法，找到最近的投影单元，再根据单元编号获得单元上的积分点，采用最小距离法获得最近的积分点。

2.根据权利要求1所述的虚实试验数据匹配方法，其特征在于，所述传感器位置坐标为三维坐标。

3.根据权利要求1所述的虚实试验数据匹配方法，其特征在于，所述试验件模型与试验件在同一坐标系下。

4.根据权利要求1所述的虚实试验数据匹配方法，其特征在于，所述传感器包括应变片花片、应变片单片、位移传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1所述的虚实试验数据匹配方法，其特征在于，采用空间最小距离法将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配。

6.根据权利要求1所述的虚实试验数据匹配方法，其特征在于，在CATIA中利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计。

7.一种虚实试验数据匹配系统，其特征在于，包括：

虚拟试验仿真结果获取模块，用于获取虚拟试验仿真结果；

第一解析模块，用于对所述虚拟试验仿真结果进行解析，得到网格节点、网格单元以及第一结果数据；

安装设计模块，用于利用传感器布局设计系统在试验件模型上进行传感器安装设计，得到传感器编号和传感器位置坐标的对应关系；

传感器布设模块，用于根据所述传感器位置坐标在试验件上布设传感器；

实测试验数据获取模块，用于利用所述传感器获取实测试验数据；所述试验数据为静强度试验数据或者温度试验数据；静强度试验提取不同加载工况下各个仿真单元的应力、应变及网格节点的位移；温度仿真虚拟试验提取时间及温度值；

第二解析模块，用于对所述实测试验数据进行解析，得到传感器编号以及第二结果数据；

数据匹配模块，用于根据所述第一结果数据和第二结果数据的对应关系将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配；采用点坐标到单元面投影方法及空间最小距离法将传感器编号与所述网格节点或者网格单元进行匹配；根据数据类型不同选择不同的算法；根据试验专业，决定测量参数从有限元节点还是有限元单元或单元上积分点取值，如果从节点取值，则采用测点与有限元节点坐标匹配算法；如果从有限元单元或单元上积分点取值，则采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法；静强度试验中，位移数据从有限元节点取值，采用测点与有限元节点坐标匹配算法；应力应变从有限元单元或积分点上取值，采用测点与有限元单元或积分点坐标匹配算法；坐标匹配算法采用实际测点坐标与有限元网格节点的距离关系来进行判断，采用最小距离法实现；采用点坐标到单元面投影方法，找到最近的投影单元，再根据单元编号获得单元上的积分点，采用最小距离法获得最近的积分点。

8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求1-6中任一项所述的虚实试验数据匹配方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的虚实试验数据匹配方法。