基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法

技术领域

本发明涉及航空航天飞行器气动弹性数值模拟领域，特别涉及基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法。

背景技术

结构模态计算是航空航天飞行器气动弹性耦合数值模拟中常用的一种结构分析方法，模态法的结构模型则是以模态为底，将结构位移分解到模态空间，通过不同模态之间的线性加权获得结构的变形，具有计算量小，计算速度块，计算效率高等的优点，在静气动弹性模拟、颤振/抖振分析中得到了广泛的应用。航空航天飞行器通常采用对称型结构，在气动弹性耦合模拟中，大多数分析状态是对称流动，因此常采用对称面一边的半模结构模态数据来开展数值分析，以降低耦合模拟的计算量。但对于一些非对称流动状态，上述简化方法将失效，仍然需要使用全模结构模态来开展分析。全模结构模态数据可以通过不同的方式获得，一种是重新构造全模的结构有限元模型，然后开展模态分析得到，但重新构造的全模结构有限元模型与原有的半模结构有限元模型存在离散不一致，可能会带来全局分析数据不匹配的问题；另一种是基于已有的半模结构有限元模型，通过数据对称、匹配、删除重复点和边界条件重定义，重构新的全模结构有限元模型，再开展模态分析得到，这种方法可以避免上一种方法带来的离散不一致问题，但需要复杂的操作和数据处理，对于复杂的结构会产生较多的时间花费。

综上可见，如何实现操作简单、低成本的全模结构模态数据的获取是本领域有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法，能够实现操作简单、低成本的全模结构模态数据的获取。其具体方案如下：

本申请公开了一种基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法，包括：

确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型；

对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，并基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据；

基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，以得到第二半模结构有限元模型；

对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，并基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据；

将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据。

可选的，所述确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型，包括：

确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型确定出与所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点对应的对称边界条件的施加方式；

利用对应的所述施加方式对所述对称面网格节点施加对应的所述对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型。

可选的，所述确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型确定出与所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点对应的对称边界条件的施加方式，包括：

确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并提取所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点，然后判断所述对称面网格节点是否存在初始边界条件；

若存在则将所述对称面网格节点判定为全约束对称面网格节点，并基于所述单元类型确定出与所述全约束对称面网格节点对应的对称边界条件的第一施加方式；若不存在则将所述对称面网格节点判定为无约束对称面网格节点，并基于所述单元类型确定出与所述无约束对称面网格节点对应的对称边界条件的第二施加方式。

可选的，所述对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，包括：

设置若干个所述第一半模结构有限元模型的对称模态的第一阶数，并在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到在每一所述第一阶数下对应的对称模态数据。

可选的，所述在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，包括：

在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到在每一所述第一阶数下对应的对称模态频率和对称模态振型响应，然后将所述对称模态频率和所述对称模态振型响应进行提取并存储至第一预设数据库中；

相应的，所述对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，包括：

设置若干个所述第二半模结构有限元模型的反对称模态的第二阶数，并在每一所述第二阶数下对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到在每一所述第二阶数下对应的反对称模态频率和反对称模态振型响应，然后将所述反对称模态频率和所述反对称模态振型响应进行提取并存储至第二预设数据库中。

可选的，所述基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据，包括：

将所述对称模态频率判定为全模结构对称模态频率，并基于预设倍数将所述对称模态振型响应进行缩小，以得到与所述第一半模结构对应的全模结构对称模态振型响应，并将所述全模结构对称模态频率和所述全模结构对称模态振型响应存储至第三预设数据库中；

相应的，所述基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据，包括：

将所述反对称模态频率判定为全模结构反对称模态频率，并基于所述预设倍数将所述反对称模态振型响应进行缩小，以得到与所述第二半模结构对应的全模结构反对称模态振型响应，并将所述全模结构反对称模态频率和所述全模结构反对称模态振型响应存储至第四预设数据库中。

可选的，所述将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据，包括：

基于所述全模结构对称模态频率和所述全模结构反对称模态频率的数值大小，对所述全模结构对称模态频率、所述全模结构反对称模态频率、所述全模结构对称模态振型响应以及所述全模结构反对称模态振型响应进行排序并组装，以得到目标全模结构模态数据。

可见，本申请确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型；对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，并基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据；基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，以得到第二半模结构有限元模型；对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，并基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据；将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据。由此可见，本申请首先在对称面网格节点施加简单的对应的对称边界条件，然后进行模态分析，进而可以获取全模结构对称模态数据；其次通过简单的在对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，然后进行模态分析，进而可以获取全模结构反对称模态数据；最后将全模结构对称模态数据和全模结构反对称模态数据进行组装，因此通过简单的对称边界条件和反对称边界条件的施加设置，即可完成目标全模结构模态数据的获取，减少了复杂的操作和数据处理过程，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法流程图；

图2为本申请公开的一种具体的梯形翼半模结构有限元模型示意图；

图3为本申请公开的一种具体的对称边界条件施加示意图；

图4为本申请公开的一种具体的对称边界条件下的第一梯形翼半模结构有限元模型的振型示意图；

图5为本申请公开的一种具体的基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法流程图；

图6为本申请公开的一种具体的全模结构对称模态数据获取示意图；

图7为本申请公开的一种具体的全模结构反对称模态数据获取示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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。

结构模态计算是航空航天飞行器气动弹性耦合数值模拟中常用的一种结构分析方法，模态法的结构模型则是以模态为底，将结构位移分解到模态空间，通过不同模态之间的线性加权获得结构的变形，具有计算量小，计算速度块，计算效率高等的优点，在静气动弹性模拟、颤振/抖振分析中得到了广泛的应用。航空航天飞行器通常采用对称型结构，在气动弹性耦合模拟中，大多数分析状态是对称流动，因此常采用对称面一边的半模结构模态数据来开展数值分析，以降低耦合模拟的计算量。但对于一些非对称流动状态，上述简化方法将失效，仍然需要使用全模结构模态来开展分析。全模结构模态数据可以通过不同的方式获得，一种是重新构造全模的结构有限元模型，然后开展模态分析得到，但重新构造的全模结构有限元模型与原有的半模结构有限元模型存在离散不一致，可能会带来全局分析数据不匹配的问题；另一种是基于已有的半模结构有限元模型，通过数据对称、匹配、删除重复点和边界条件重定义，重构新的全模结构有限元模型，再开展模态分析得到，这种方法可以避免上一种方法带来的离散不一致问题，但需要复杂的操作和数据处理，对于复杂的结构会产生较多的时间花费。

为此本申请相应的提供了一种全模结构模态数据获取方案，能够实现操作简单、低成本的全模结构模态数据的获取。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法，包括：

步骤S11：确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型。

本实施例中，所述确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型，具体包括：确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型确定出与所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点对应的对称边界条件的施加方式；利用对应的所述施加方式对所述对称面网格节点施加对应的所述对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型。

本实施例中，所述确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型确定出与所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点对应的对称边界条件的施加方式，具体包括：确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并提取所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点，然后判断所述对称面网格节点是否存在初始边界条件；若存在则将所述对称面网格节点判定为全约束对称面网格节点，并基于所述单元类型确定出与所述全约束对称面网格节点对应的对称边界条件的第一施加方式；若不存在则将所述对称面网格节点判定为无约束对称面网格节点，并基于所述单元类型确定出与所述无约束对称面网格节点对应的对称边界条件的第二施加方式。

本实施例中，例如预设半模结构有限元模型为梯形翼半模结构有限元模型，即对梯形翼半模结构有限元模型进行分析，例如图2所示的一种具体的梯形翼半模结构有限元模型示意图，并确定出梯形翼半模结构有限元模型的单元类型为壳单元，展向分布11个节点，弦向分布6个节点，共66个节点，对称面上分布六个节点，初始边界条件简化为对称面中心全约束，然后提取对称面上的网格节点，按照边界类型进行分类，可以看到机翼弦线中心两个节点为全约束节点，其余节点为无约束节点。例如图3所示的一种具体的对称边界条件施加示意图，若是全约束节点并且其单元类型为壳单元，则为第一种施加方式，即:在初始边界条件上施加对称边界条件，若是无约束对称面网格节点并且其单元类型为壳单元，则为第二种施加方式，即:只施加对称边界条件。

步骤S12：对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，并基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据。

本实施例中，可以根据计算要求和计算经验，将第一梯形翼半模结构有限元模型的对称模态的第一阶数设置为4阶，然后对第一梯形翼半模结构有限元模型进行对称模态频率和对称模态振型响应的求解，最后分别提取各阶对称模态频率和对称模态振型响应，并存储该部分信息，如图4所示的一种具体的对称边界条件下的第一梯形翼半模结构有限元模型的振型示意图。

步骤S13：基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，以得到第二半模结构有限元模型。

本实施例中，删除第一梯形翼半模结构有限元模型的对称边界条件，根据单元类型以及网格节点为无约束对称面网格节点还是为全约束对称面网格节点，来确定反对称边界条件的施加方式，然后根据施加反对称边界条件的方式在对称面网格节点施加反对称边界条件，以得到第二梯形翼半模结构有限元模型。

步骤S14：对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，并基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据。

本实施例中，可以理解的是，可以根据计算要求和计算经验，设置第二梯形翼半模结构有限元模型的反对称模态的第二阶数，然后分别提取各阶反对称模态频率和反对称模态振型响应，并存储该部分信息。

步骤S15：将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据。

本实施例中，组装全模结构对称模态数据、全模结构反对称模态数据，获取目标全模结构模态数据。通过模态频率的大小将对称模态频率和反对称模态频率进行排序，然后通过对称模态频率和反对称模态频率的排序结果的先后顺序，将对称模态频率、反对称模态频率、对称模态振型响应、反对称模态振型响应进行排序并组装，形成全模的模态矩阵，即得到目标全模结构模态数据。例如对称模态的第一阶数和反对称模态的第二阶数各为4阶，则共计8阶模态，通过这8阶的对称模态频率和反对称模态频率的数值大小将对称模态频率和反对称模态频率进行排序。

本实施例中，结构模态计算是航空航天飞行器气动弹性耦合数值模拟中常用的一种结构分析方法，模态法的结构模型则是以模态为底，将结构位移分解到模态空间，通过不同模态之间的线性加权获得结构的变形，具有计算量小，计算速度块，计算效率高等的优点，在静气动弹性模拟、颤振/抖振分析中得到了广泛的应用。

可见，本申请确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型；对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，并基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据；基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，以得到第二半模结构有限元模型；对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，并基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据；将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据。由此可见，本申请首先在对称面网格节点施加简单的对应的对称边界条件，然后进行模态分析，进而可以获取全模结构对称模态数据；其次通过简单的在对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，然后进行模态分析，进而可以获取全模结构反对称模态数据；最后将全模结构对称模态数据和全模结构反对称模态数据进行组装，因此通过简单的对称边界条件和反对称边界条件的施加设置，即可完成目标全模结构模态数据的获取，减少了复杂的操作和数据处理过程，降低成本。

参见图5所示，本申请实施例公开了一种具体的基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法，包括：

步骤S21：确定预设半模结构有限元模型的单元类型，并基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的对称边界条件，以得到第一半模结构有限元模型。

本实施例中，单元类型可以为壳单元、实体单元、梁单元中的任意一种或几种类型。

步骤S22：设置若干个所述第一半模结构有限元模型的对称模态的第一阶数，并在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到在每一所述第一阶数下对应的对称模态数据，然后基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据。

本实施例中，所述在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到对应的对称模态数据，具体包括：在每一所述第一阶数下对所述第一半模结构有限元模型进行模态分析，以得到在每一所述第一阶数下对应的对称模态频率和对称模态振型响应，然后将所述对称模态频率和所述对称模态振型响应进行提取并存储至第一预设数据库中。

本实施例中，所述基于所述对称模态数据获取全模结构对称模态数据，具体包括：将所述对称模态频率判定为全模结构对称模态频率，并基于预设倍数将所述对称模态振型响应进行缩小，以得到与所述第一半模结构对应的全模结构对称模态振型响应，并将所述全模结构对称模态频率和所述全模结构对称模态振型响应存储至第三预设数据库中。

本实施例中，例如预设半模结构有限元模型为梯形翼半模结构有限元模型，首先梯形翼半模结构有限元模型的模态频率可直接用作梯形翼半模结构有限元模型的全模结构对称模态频率；其次，梯形翼半模结构有限元模型的模态振型响应缩小√2倍后，可作为梯形翼半模结构有限元模型对应的全模结构的全模结构对称模态振型响的右侧的振型；最后，将梯形翼半模结构有限元模型的有限元节点和节点连接关系做关于对称面的镜像，并合并对称面上的节点，镜像结构的模态振型响应仍为梯形翼半模结构模态振型响应的1/√2，例如图6所示的一种具体的全模结构对称模态数据获取示意图，至此梯形翼半模结构有限元模型的全模结构对称模态数据获取完成，存储该部分信息。

步骤S23：基于所述单元类型对所述预设半模结构有限元模型中的对称面网格节点施加对应的反对称边界条件，以得到第二半模结构有限元模型。

步骤S24：对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，并基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据。

本实施例中，所述对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到对应的反对称模态数据，具体包括：设置若干个所述第二半模结构有限元模型的反对称模态的第二阶数，并在每一所述第二阶数下对所述第二半模结构有限元模型进行所述模态分析，以得到在每一所述第二阶数下对应的反对称模态频率和反对称模态振型响应，然后将所述反对称模态频率和所述反对称模态振型响应进行提取并存储至第二预设数据库中。

本实施例中，所述基于所述反对称模态数据获取全模结构反对称模态数据，具体包括：将所述反对称模态频率判定为全模结构反对称模态频率，并基于所述预设倍数将所述反对称模态振型响应进行缩小，以得到与所述第二半模结构对应的全模结构反对称模态振型响应，并将所述全模结构反对称模态频率和所述全模结构反对称模态振型响应存储至第四预设数据库中。

本实施例中，例如预设半模结构有限元模型为梯形翼半模结构有限元模型，首先梯形翼半模结构有限元模型的模态频率可直接用作梯形翼半模结构有限元模型的全模结构反对称模态频率；其次，梯形翼半模结构有限元模型的模态振型响应缩小√2倍后，可作为梯形翼半模结构有限元模型对应的全模结构的全模结构反对称模态振型响的右侧的振型；最后，将梯形翼半模结构有限元模型的有限元节点和节点连接关系做关于对称面的镜像，并合并对称面上的节点，镜像结构的模态振型响应仍为梯形翼半模结构模态振型响应的-1/√2，例如图7所示的一种具体的全模结构反对称模态数据获取示意图，至此梯形翼半模结构有限元模型的全模结构反对称模态数据获取完成，存储该部分信息。

步骤S25：将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据。

本实施例中，所述将所述全模结构对称模态数据和所述全模结构反对称模态数据进行组装，以得到目标全模结构模态数据，具体包括：基于所述全模结构对称模态频率和所述全模结构反对称模态频率的数值大小，对所述全模结构对称模态频率、所述全模结构反对称模态频率、所述全模结构对称模态振型响应以及所述全模结构反对称模态振型响应进行排序并组装，以得到目标全模结构模态数据。

由此可见，本申请通过简单的设置对称边界条件和反对称边界条件，即可求解出全模结构对称模态数据和全模结构反对称模态数据，进而得到目标全模结构模态数据，方法简单，无需复杂操作，显著降低时间成本。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于半模结构有限元模型获取全模结构模态数据的方法进行了详细介绍，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。