[發(fā)明專利]基于振動電機激勵的加速度傳遞率的結(jié)構(gòu)有限元建模方法

在審

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• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112507473A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭勤濤;陶言和;吳瑾
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14;G06F111/04;G06F111/10
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 徐曉鷺

本發(fā)明公開一種基于振動電機激勵的加速度傳遞率的結(jié)構(gòu)有限元建模方法，包括以下步驟：建立橋式起重機結(jié)構(gòu)的初始動力學(xué)有限元模型；設(shè)計橋式起重機結(jié)構(gòu)掃頻激勵測試方案，然后對測試數(shù)據(jù)進行分析；根據(jù)建立的初始動力學(xué)有限元模型對其進行瞬態(tài)響應(yīng)動力學(xué)分析，計算起重機有限元模型上和步驟二相同4個位置點的振動加速度時域信號；計算步驟二試驗中主梁上均布的加速度測點和振動電機安裝處的加速度測點之間的傳遞率，并計算步驟三有限元模型中相同位置的加速度傳遞率：對初始動力學(xué)有限元模型進行參數(shù)修正。本申請采用遺傳算法對有限元模型進行優(yōu)化，對有限元模型進行參數(shù)校準，使其動力響應(yīng)與實際結(jié)構(gòu)趨于一致。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于系統(tǒng)參數(shù)識別領(lǐng)域，特別是一種基于振動電機激勵的加速度傳遞率的結(jié)構(gòu)有限元建模方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著計算機模擬技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于此對工程結(jié)構(gòu)進行建模和仿真分析逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計或技術(shù)改進的新方向。有限元建模以及仿真分析的優(yōu)點是可以在結(jié)構(gòu)更新設(shè)計階段了解結(jié)構(gòu)的特性，同時可以為相關(guān)的試驗提供合理的指導(dǎo)；尤其是計算結(jié)果與試驗測試誤差較小的模型仿真，使得有限元建模和仿真分析在眾多工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

如在起重機領(lǐng)域，由于有限元模型和真實結(jié)構(gòu)之間存在誤差，在實際應(yīng)用前常常要對有限元模型進行參數(shù)校準，使模型與實際結(jié)構(gòu)在靜、動力響應(yīng)上盡可能一致。圍繞起重機展開的基于有限元的分析工作，如模態(tài)計算、模型修正、動響應(yīng)計算等學(xué)術(shù)研究成果常有報道。此外，將起重機作為研究對象，建立其有限元模型，通過查詢相關(guān)文獻、經(jīng)驗公式或者荷載試驗得到起重機的模態(tài)參數(shù)，再研究其力學(xué)特性也常有報道。現(xiàn)有報道中，對于有限元模型參數(shù)校準方法，首先要建立目標函數(shù)，并用一個已知激勵源激勵系統(tǒng)，再求物理系統(tǒng)響應(yīng)的解析解和試驗數(shù)據(jù)之間的差異，然后再通過某種優(yōu)化算法最小化上述差異。試驗中，通常用力錘或者電磁激振器作為激勵源，激勵力較小，導(dǎo)致測試響應(yīng)信號信噪比較低。響應(yīng)特征通常為信號轉(zhuǎn)換后的特征值，如模態(tài)頻率等，丟失了部分信號特征。亟需一種大激勵力，信號高保真的模型參數(shù)校準方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，公開了一種基于振動電機激勵的加速度傳遞率的結(jié)構(gòu)有限元建模方法，對起重機結(jié)構(gòu)使用振動電機激勵，計算其關(guān)鍵點的加速度傳遞率，并將試驗傳遞率和仿真?zhèn)鬟f率之間的誤差二范數(shù)作為目標函數(shù)，采用遺傳算法進行優(yōu)化，對有限元模型進行參數(shù)校準，使其動力響應(yīng)與實際結(jié)構(gòu)趨于一致。

本發(fā)明公開了一種基于振動電機激勵的加速度傳遞率的結(jié)構(gòu)有限元建模方法，其具體步驟如下：

1)建立橋式起重機有限元模型：基于有限元前處理軟件，建立橋式起重機結(jié)構(gòu)的精細有限元模型，其中主梁結(jié)構(gòu)采用實體單元，并為其賦予材料屬性，螺栓連接部分采用REB2單元模擬，在橋式起重機與導(dǎo)軌連接處施加豎向平動和三個轉(zhuǎn)動方向的約束；

2)橋式起重機的瞬態(tài)響應(yīng)試驗：設(shè)計橋式起重機結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)測試方案，測試方案中包括在起重機主梁上布置3個測點位置，振動電機安裝處布置1個測點位置、傳感器類型為加速度傳感器、測試方向為垂向響應(yīng)方向、設(shè)定測試頻段為預(yù)估的模態(tài)頻率2倍、信號采樣分辨率為所要采集模態(tài)頻段上限的 2.56倍；選擇可控調(diào)速電機作為激勵源，在電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，至少可以覆蓋起重機2個以上的垂向振動模態(tài)；電機安裝位置不可選模態(tài)節(jié)線位置；振動電機和起重機之間的連接支架上串聯(lián)安裝有測力傳感器用于采集動態(tài)激勵力信號；人工或者采用軟件控制調(diào)節(jié)振動電機調(diào)速器，使得電機從低速到高速均勻加速，同時采集力傳感器和加速度傳感器信號，然后對測試數(shù)據(jù)進行分析；

3)分析橋式起重機有限元模型：根據(jù)步驟1)中建立的有限元模型，對其進行瞬態(tài)響應(yīng)分析，在橋式起重機三分之一處施加步驟2)中采集到的動態(tài)激勵力，計算起重機有限元上和試驗點相同位置點的振動加速度時域信號；