[發明專利]有限元模型修正過程中克服模態交換的方法

有效

• 申請號: 201910313781.2
• 申請日: 2019-04-18
• 公開（公告）號: CN110110396B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 杜家政;付勝偉;孟凡偉;鄧穩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了有限元模型修正過程中克服模態交換的方法，包括：確定有限元模型材料，結構尺寸參數，建立有限元模型；對有限元模型進行模態分析，找出在有限元模型中與實際振型最匹配的實驗階數；建立數學優化模型，設定優化初始值、步長及其收斂精度值；計算權重系數，編寫MSC.Nastran優化卡片；向Nastran提交編寫的優化卡片進行迭代計算；以提取出來的模態交換前的設計變量值作為初始值，計算出的相對值作為步長值，增加設定的倍數a，重新計算權重系數，重新編寫卡片；重復設定步長值是提取步長數值的p倍，設定設計變量值為提取的設計變量值，編寫卡片，進行迭代運算，求解出合理的結果，提取設計變量數據即為所需要的設計變量數值。

技術領域

本發明屬于工程結構設計技術領域，尤其涉及對進行模型修正中克服模態交換的方法。

背景技術

目前，有限元工具己經廣泛用于各種工程結構的計算，對于大型復雜結構，如火箭，導彈，飛機等有限元模型建立困難，即使工程技術人員建立了有限元模型，往往因為計算的誤差太大，不能準確預示實際結構的力學特性，使模擬仿真工作受到很大的限制，最后還是需要物理樣機試驗才能了解飛行器結構的力學特性。有限元修正技術就是要利用物理樣機試驗和有限元仿真兩者的優點，用少量的樣機試驗所獲得的數據對有限元模型進行修正，獲得比較準確的有限元模型，從而可以替代那些復雜、耗資巨大的物理樣機的制造，節省費用和縮短研制周期。修正的目標都是讓有限元模型的計算結果和物理樣機試驗結果保持一致，建立精確的有限元模型是當前的一個重要挑戰。

在航天領域與土木工程中，在對有限元模型進行模型修正過程中，因為模態交換的發生，修正結果不能達到預期目標，模型修正是進行模型修正中的一大難題。在對稱結構中容易發生模態交換。尤其一些其他的方法雖然也能避免模態交換的發生，但會伴隨著運算時間長，重新挑選算法等缺點。所以選擇一個合理避免模態交換的方法尤為重要。在進行模型修正過程中克服模態交換也是模型修正領域極具挑戰性的課題之一。也是建立高精度有限元模型的必然需求。

在對模型進行模型修正的過程中常常將頻率加入目標函數中，在針對將頻率加入目標函數的模型修正中會遇到發生模態交換的問題，發生模態交換的發生有兩種，第一種是在仿真頻率與實驗頻率相差不大的情況下發生模態交換，一種是發生在頻率不同，特征向量相同的情況發生模態交換，主要由于頻率在目標函數中的殘差在所占的比例遠大于特征向量所占殘差的比例，會發生模態交換。

本發明針對模型修正過程中發生模態交換的問題，提出了進行模型修正過程中克服模態交換的方法。這種進行模型修正過程中克服模態交換的方法，結合有限元分析方法，通過選取部分有針對性的試驗點的某個方向特征向量的殘差作為約束，使發生模態時的振型住方向不改變，在發生模態交換時，某階模態主方向發生改變，迭代運算停止，能準確判斷出第幾個迭代步發生模態交換；通過將頻率殘差與剩余的試驗點的特征向量殘差平方和和作為目標；依據初始值的特征向量殘差與頻率殘差的比值，計算出選取頻率殘差與剩余試驗點的模態殘差的權重系數，進行迭代運算。通過調整特征向量殘差與頻率殘差的比值，及其根據計算的發生模態交換前后的設計變量的相對值，調整迭代步長；一直增加特征向量在目標函數中的比重，用以慢慢減小由于頻率的加入目標函數中對迭代結果的影響；反復調用MSC.Nastran進行迭代運算；直到能得到有效的結果，計算出最符合實際的優化參數。這種在進行模型修正中克服模態交換的方法，有助于縮短結構設計周期，為結構的細節設計提供更詳盡的指導，模態交換，具有極強的實用性，這對于推動航空航天等重要領域的快速發展具有重要意義。

發明內容