一种体现制造几何缺陷的三维有限元模型修调方法

摘要

本发明属于航空航天结构主承力构件设计技术领域，涉及一种体现制造几何缺陷的三维有限元模型修调方法，包括以下步骤：1)采用光学测量方法测量得到三维点云信息；2)对三维点云信息进行滤波处理，消除噪声；3)建立不考虑三维点云信息的完美结构三维有限元模型；4)在三维点云信息的基础上，或者对得到的三维点云信息进行放大、缩小处理后，采用插值方法对完美结构三维有限元模型进行修调，体现制造几何缺陷。本发明能够增强有限元预测模型的真实性，进一步提高有限元预测的准确性，同时能够保证对已有有限元模型的充分利用，实现自适应缺陷幅值缩放和位置选择，工作量极小，有望成为航空航天领域中有限元模型修正的关键技术之一。

主权项

一种体现制造几何缺陷的三维有限元模型修调方法，其特征在于以下步骤：第一步，采用光学测量方法，对网格加筋筒壳结构试验件的三维形貌进行测量，得到网格加筋筒壳结构试验件的三维点云信息；第二步，将第一步三维点云信息采用滤波方法进行滤波处理，消除噪声；所述的滤波方法包括标准高斯平均、中值滤波算法或超限邻域平均滤波算法；所述的超限邻域平均滤波算法为：设置门限，当三维形貌点云数据与其邻域平均值的差值超过门限时，令其等于该邻域的平均值，反之，数据值不变；所述的超限邻域平均算法的数学表示为：$p_i=\left\{\begin{array}{cc}\overline{q_i}& |\overline{f_i}-f_i|>M\\ q_i& |\overline{f_i}-f_i|\le M\end{array}\right.---\left(1\right)$$\overline{q_i}={\Sigma }_{j=1}^N{q}_j{v}_{ij}/{\Sigma }_{j=1}^N{v}_{ij}---\left(2\right)$$v_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|\right|A_i-A_j|{|}_2>L\\ 1& \left|\right|A_i-A_j|{|}_2<L\end{array}\right.---\left(3\right)$其中，p_i为测点i数据滤波后的值；为测点i的邻域平均值；q_i为测点i的原始半径；M为门限；N为测点数目；v_ij为测点j对测点i邻域平均值权系数；L为测点i邻域半径；A_i为测点i的三维坐标向量；第三步，采用有限元分析软件建立不考虑三维点云信息的完美结构三维有限元模型；第四步，在第二步滤波处理后得到的三维点云信息的基础上，或者对得到的三维点云信息进行放大、缩小处理后，采用插值方法对第三步得到的完美结构三维有限元模型整体或局部的节点坐标进行修调，体现制造几何缺陷；4.1)根据插值公式(4)，基于三维点云信息和完美结构三维有限元模型，计算得到实测的三维点云信息的权系数；$v_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\left(\right||Q_i-P_j|{|}_2)}^4}& \left|\right|Q_i-P_j|{|}_2\le F\\ 0& \left|\right|Q_i-P_j|{|}_2>F\end{array}\right.---\left(4\right)$其中，v_ij是实测的三维点云信息第j个节点对完美结构三维有限元模型中第i个节点修正的权系数；P_j为测点j的三维坐标向量；Q_i为完美结构三维有限元模型第i个节点的三维坐标向量；F是完美结构三维有限元模型单元节点的修调距离，根据实测的三维点云信息中的样本点分布密度取值；4.2)根据插值公式(5)，基于4.1)得到的三维点云信息的权系数和第二步滤波处理后得到的三维点云信息中的测点半径，计算得到完美结构三维有限元模型的插值半径；$r_{{\mathrm{im}}_i}={\Sigma }_{j=1}^N{r}_{p_j}{v}_{ij}/{\Sigma }_{j=1}^N{v}_{ij}---\left(5\right)$其中，是完美结构三维有限元模型中第i个节点的插值半径；是实测的三维点云信息中第j个测点的半径；N是实测的三维点云信息中测点的个数；4.3)根据插值公式(6)，基于4.2)得到的完美结构三维有限元模型的插值半径和第三步得到的完美结构三维有限元模型，计算得到完美结构三维有限元模型的修调偏移量；基于修调偏移量，移动完美结构三维有限元模型节点坐标，实现完美结构三维有限元模型修调，将真实缺陷引入完美结构三维有限元模型中，获得基于真实缺陷的结构有限元模型，体现制造几何缺陷；$r_i=r_{{\mathrm{im}}_i}-r_{{\mathrm{per}}_i}---\left(6\right)$其中，r_i是完美的三维有限元模型中第i个节点的修调偏移量；是完美的三维有限元模型中第i个节点的插值半径；是完美的三维有限元模型中第i个节点修调前的半径。