件的處理過程轉(zhuǎn)化成參數(shù)化程序。
[0023]虛擬模態(tài)分析方面，具體的實(shí)施方式依次為在有限元模型上施加邊界條件，確定模態(tài)分析的方法，設(shè)置模態(tài)分析的頻率范圍和模態(tài)階數(shù)，設(shè)定計(jì)算結(jié)果后處理參數(shù)，最后提交確定方法中計(jì)算求解。虛擬模態(tài)分析中的約束和載荷應(yīng)視機(jī)電控制設(shè)備的實(shí)際工況來決定是否設(shè)置。模態(tài)分析的方法主要有分塊Lanczos法、子空間法、縮減法、非對稱法、阻尼法以及QR阻尼法等。模態(tài)分析的頻率范圍和所需要計(jì)算的模態(tài)階數(shù)依據(jù)用戶的需求設(shè)置。模態(tài)分析在求解機(jī)電控制設(shè)備固有頻率的同時(shí)，可以得到每一個固有頻率對應(yīng)的振型，它可以通過后處理參數(shù)的設(shè)置獲取。值得指出的是有限元模態(tài)分析屬于線性分析，模型中的接觸等非線性連接方式不能被有限元軟件識別，因此在開展虛擬模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，務(wù)必把非線性單元、非線性接觸等轉(zhuǎn)化成線性單元和線性連接。虛擬模態(tài)試驗(yàn)的每一個操作步驟在有限元軟件中均有相應(yīng)的參數(shù)化命令，因此可以把虛擬模態(tài)試驗(yàn)的全過程寫入有限元模型的參數(shù)化程序當(dāng)中。
[0024]虛擬振動試驗(yàn)方面，具體的實(shí)施方式依次為在有限元模型上施加邊界條件，確定振動諧響應(yīng)分析的方法、設(shè)置振動分析的頻率范圍、設(shè)定計(jì)算結(jié)果后處理參數(shù)，最后提交確定方法中計(jì)算求解。虛擬振動試驗(yàn)中的約束視機(jī)電控制設(shè)備的安裝方式而定，載荷應(yīng)視設(shè)備的實(shí)際工況而定。振動諧響應(yīng)分析的方法主要有縮減法、完全法以及模態(tài)疊加法等，振動分析的頻率范圍依據(jù)用戶的需求設(shè)置。諧響應(yīng)分析可以得到節(jié)點(diǎn)位移、速度和加速度頻響函數(shù)，也可以得到單元的應(yīng)力、應(yīng)變等信息。與虛擬模態(tài)試驗(yàn)相同，虛擬振動試驗(yàn)也基于線性分析理論，在開展虛擬振動試驗(yàn)時(shí)，務(wù)必把非線性單元、非線性接觸等轉(zhuǎn)化成線性單元和線性連接。虛擬模態(tài)試驗(yàn)的每一個操作步驟在有限元軟件中均有相應(yīng)的參數(shù)化命令，因此可以把虛擬模態(tài)試驗(yàn)的全過程寫入有限元模型的參數(shù)化程序當(dāng)中。
[0025]虛擬沖擊試驗(yàn)方面，具體的實(shí)施方式依次為在定義元器件之間的接觸類型和接觸參數(shù)，在有限元模型上施加邊界條件和沖擊載荷，設(shè)置沖擊計(jì)算的時(shí)間、計(jì)算結(jié)果輸出的步數(shù)，生成機(jī)電控制設(shè)備沖擊計(jì)算的k文件，提交非線性動力學(xué)分析軟件LS_DYNA進(jìn)行沖擊計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理輸出。虛擬沖擊試驗(yàn)中的元器件之間的接觸方式主要有:點(diǎn)-面接觸、線-面接觸和面-面接觸等，接觸面的參數(shù)主要有接觸剛度和摩擦系數(shù)。沖擊載荷的幅度和施加部位應(yīng)視設(shè)備的實(shí)際工況和用戶需求來確定。虛擬沖擊試驗(yàn)可以得到節(jié)點(diǎn)位移、速度和加速度時(shí)程結(jié)果，也可以得到單元的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)程信息等結(jié)果。虛擬沖擊試驗(yàn)的接觸設(shè)置、邊界條件和載荷施加，計(jì)算時(shí)間和結(jié)果輸出控制在有限元軟件中均有相應(yīng)的參數(shù)化命令，因此可以把虛擬沖擊試驗(yàn)的全過程寫入有限元模型的參數(shù)化程序當(dāng)中。
[0026]虛擬模態(tài)試驗(yàn)、虛擬振動試驗(yàn)、虛擬沖擊試驗(yàn)相互獨(dú)立。
[0027]3、艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊再試驗(yàn):
結(jié)合機(jī)電控制設(shè)備動態(tài)特性的試驗(yàn)測試結(jié)果，并通過對參數(shù)化有限元模型的修改，開展不同幾何模型、不同材料參數(shù)及不同工況的機(jī)電控制設(shè)備的虛擬再試驗(yàn)，直至虛擬試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)之間的誤差滿足要求。
[0028]—旦編制形成艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動、沖擊試驗(yàn)參數(shù)化有限元模型之后，可以簡單、快速地把該參數(shù)化有限元模型推廣到處于其他工況的機(jī)電控制設(shè)備或者其他型號設(shè)備的虛擬振動、沖擊試驗(yàn)當(dāng)中。以材質(zhì)不同，其他參數(shù)完全相同的設(shè)備A和設(shè)備B為例，假定機(jī)電控制設(shè)備A的有限元模型已經(jīng)通過命令流語言設(shè)計(jì)成參數(shù)化程序并開展了虛擬試驗(yàn)，則只需修改程序中的材質(zhì)部分的參數(shù)，即可得到設(shè)備B的參數(shù)化有限元模型，把該參數(shù)化模型提交有限元軟件，并可以快速地實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制設(shè)備的虛擬試驗(yàn)和虛擬再試驗(yàn)。同樣地，對于結(jié)構(gòu)尺寸、安裝剛度、元器件布置形式或元器件接觸方式不同的兩個設(shè)備，通過修改響應(yīng)的模型參數(shù)就可以快速實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)。
[0029]很多時(shí)候，搭建的艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)果并不能環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果相吻合，為了準(zhǔn)確描述設(shè)備真實(shí)的動態(tài)性能，需要通過不斷調(diào)整模型參數(shù)，通過大量的虛擬試驗(yàn)。傳統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)中，每當(dāng)設(shè)備的一個參數(shù)調(diào)整，則需要重建設(shè)計(jì)模型、重復(fù)安裝并進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，這需要耗費(fèi)大量的人力物力。而參數(shù)化虛擬仿真試驗(yàn)則只需要通過簡單地修改程序參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)虛擬再試驗(yàn)，直至虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)果與環(huán)境測試結(jié)果吻合，準(zhǔn)確描述機(jī)電控制設(shè)備的動態(tài)性能。
[0030]傳統(tǒng)的振動、沖擊環(huán)境試驗(yàn)，尤其是針對大型艦船機(jī)電設(shè)備的沖擊試驗(yàn)，由于試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、試驗(yàn)周期長等缺點(diǎn)，并不適宜在所有艦船設(shè)備抗沖擊性分析和檢測中應(yīng)用。虛擬振動、沖擊試驗(yàn)技術(shù)通過建立設(shè)備虛擬沖擊樣機(jī)，可以預(yù)測元器件結(jié)構(gòu)應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特征等傳統(tǒng)試驗(yàn)無法得到的動態(tài)特征信息，可以環(huán)境條件限制隨時(shí)隨地開展虛擬振動、沖擊試驗(yàn)，可以高效、全面并且低成本地預(yù)報(bào)艦船機(jī)電設(shè)備的沖擊環(huán)境及環(huán)境適應(yīng)性能力。此外，本發(fā)明采用參數(shù)、數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支)、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程序等有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，編寫參數(shù)化的用戶程序，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制設(shè)備參數(shù)化有限元建模和計(jì)算分析的全過程，即建立參數(shù)化的CAD模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理。參數(shù)化虛擬仿真模型可以簡單地實(shí)現(xiàn)任意次數(shù)的虛擬再試驗(yàn)，即當(dāng)虛擬試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果存在較大偏差時(shí)，不斷修改設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和有限元模型參數(shù)，高效、快速、重復(fù)地進(jìn)行虛擬再試驗(yàn)，直至虛擬試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果吻合。最后，利用機(jī)電控制設(shè)備參數(shù)化有限元模型，可以通過對單一或多種參數(shù)不斷調(diào)整，進(jìn)行設(shè)備動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，本發(fā)明形成的機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動、沖擊試驗(yàn)技術(shù)，可以快速、便捷預(yù)報(bào)機(jī)電控制設(shè)備的振動、沖擊響應(yīng)特征，彌補(bǔ)傳統(tǒng)振動、沖擊環(huán)境試驗(yàn)的不足，并通過設(shè)備動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，揭示機(jī)電控制設(shè)備的設(shè)計(jì)隱患，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用，提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性能力設(shè)計(jì)的水平。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 1)建立設(shè)備幾何模型:依據(jù)艦船機(jī)電控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，簡化結(jié)構(gòu)復(fù)雜而對設(shè)備振動、沖擊性能影響不大的構(gòu)件、元件或連接形式；再用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言生成機(jī)電控制設(shè)備的點(diǎn)、線、面和體特征，并進(jìn)行相應(yīng)的加、減、合并和粘結(jié)特征處理以及進(jìn)行移動、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)和鏡像幾何模型處理，直至生成機(jī)電控制設(shè)備的參數(shù)幾何模型； 2)建立有限元模型:依據(jù)機(jī)電控制設(shè)備中結(jié)構(gòu)的材料類型、實(shí)參數(shù)，收集各種結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合機(jī)電控制設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、計(jì)算時(shí)間、結(jié)果精度，確定有限元建模中選擇的單元類型、網(wǎng)格劃分形式； 3)虛擬模態(tài)試驗(yàn):在步驟2)有限元模型上施加邊界條件，確定模態(tài)分析的方法，設(shè)置模態(tài)分析的頻率范圍和模態(tài)階數(shù)，設(shè)定計(jì)算結(jié)果后處理參數(shù)，最后提交計(jì)算求解； 4)虛擬振動試驗(yàn):在步驟2)有限元模型上施加邊界條件，確定振動諧響應(yīng)分析的方法、設(shè)置振動分析的頻率范圍、設(shè)定計(jì)算結(jié)果后處理參數(shù)，最后提交計(jì)算求解； 5)虛擬沖擊試驗(yàn):在定義元器件之間的接觸類型和接觸參數(shù)，在步驟2)有限元模型上施加邊界條件和沖擊載荷，設(shè)置沖擊計(jì)算的時(shí)間、計(jì)算結(jié)果輸出的步數(shù)，生成機(jī)電控制設(shè)備沖擊計(jì)算的k文件，提交非線性動力學(xué)分析軟件LS_DYNA進(jìn)行沖擊計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理輸出； 6)艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊再試驗(yàn):結(jié)合機(jī)電控制設(shè)備動態(tài)特性的試驗(yàn)測試結(jié)果，并通過對參數(shù)化有限元模型的修改，開展不同幾何模型、不同材料參數(shù)及不同工況的機(jī)電控制設(shè)備的虛擬再試驗(yàn)，直至虛擬試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)之間的誤差滿足要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟3)中的模態(tài)分析的方法可選分塊Lanczos法、子空間法、縮減法、非對稱法、阻尼法以及QR阻尼法中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟3)中的模態(tài)分析的頻率范圍和所需要計(jì)算的模態(tài)階數(shù)依據(jù)用戶的需求設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟3 )中的有限元模型模態(tài)分析為線性分析，分析前模型中的非線性連接方式需要轉(zhuǎn)化成線性單元和線性連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟4)中的振動諧響應(yīng)分析的方法可選縮減法、完全法以及模態(tài)疊加法中的任意一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟4)中的振動分析的頻率范圍依據(jù)用戶的需求設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟4)中的振動諧響應(yīng)分析為線性分析，分析前模型中的非線性單元、非線性接觸需要轉(zhuǎn)化成線性單元和線性連接。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟5)中的元器件之間的接觸方式有:點(diǎn)-面接觸、線-面接觸和面-面接觸等，接觸面的參數(shù)有接觸剛度和摩擦系數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟5)中的沖擊載荷的幅度和施加部位根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工況和用戶需求來確定。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種艦船機(jī)電控制設(shè)備虛擬振動和沖擊試驗(yàn)方法，建立設(shè)備幾何模型；建立有限元模型；在有限元模型上施加邊界條件，確定模態(tài)分析的方法，設(shè)置模態(tài)分析的頻率范圍基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬模態(tài)試驗(yàn)；在有限元模型上施加邊界條件，確定振動諧響應(yīng)分析的方法、設(shè)置振動分析的頻率范圍基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬振動試驗(yàn)；在定義元器件之間的接觸類型和接觸參數(shù)，在有限元模型上施加邊界條件和沖擊載荷基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬沖擊試驗(yàn)；結(jié)合機(jī)電控制設(shè)備動態(tài)特性的試驗(yàn)測試結(jié)果，調(diào)整參數(shù)進(jìn)行虛擬再試驗(yàn)，直至虛擬試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)之間的誤差滿足要求?？梢钥焖?、便捷預(yù)報(bào)機(jī)電控制設(shè)備的振動、沖擊響應(yīng)特征，通過設(shè)備動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，揭示機(jī)電控制設(shè)備的設(shè)計(jì)隱患。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105260581
【申請?zhí)枴緾N201510831009
【發(fā)明人】陳榮, 孫偉星, 黃宋均
【申請人】中國船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月25日