航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种力学性能采集分析系统，具体地说，涉及一种航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法。

背景技术

随着航空工业的发展和对飞行器性能要求的不断提高，复合材料在航空领域中得到了广泛的应用。复合材料具有优异的特性，包括高强度、低密度、优良的耐腐蚀性能和良好的设计灵活性，因此被广泛应用于航空器的结构件和部件中。

由于复合材料具有各向异性和复杂的结构特性，对其静态力学性能的采集和分析变得至关重要，采集和分析这些性能数据可以帮助工程师更好地理解复合材料的行为，优化设计，提高航空器的性能和安全性，现有的采集分析系统在采集和处理大量数据时容易出现误差，影响对复合材料性能的准确评估，因此，提供一种航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法，以解决上述背景技术中提出的现有采集分析系统在采集和处理大量数据时容易出现误差，影响对复合材料性能的准确评估的问题。

为实现上述目的，本发明目的在于提供了航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法，包括：

数据采集单元，用于采集静态力学特性数据；

数据预处理及分析单元，基于有限元分析模型对采集到的数据进行分析，以验证采集的数据和评估复合材料结构的性能；

追踪监测单元，用于接收异常数据，并对异常数据进行报警。

作为本技术方案的进一步改进，所述数据采集单元包括传感器、模数转换器和数据存储模块，传感器用于监测并采集复合材料的静态力学特性数据，所述模数转换器用于将传感器采集的数据存储至数据存储模块中。

作为本技术方案的进一步改进，所述数据预处理及分析单元包括材料特征数据库、数据预处理模块和数据分析模块，其中，所述材料特征数据库用于存储复合材料力学特征的标准数据；

所述数据预处理模块用于对传感器采集的数据进行预处理；

所述数据分析模块基于有限元分析模型将经过预处理的采集的数据进行分析，得到复合材料的静态力学数据。

作为本技术方案的进一步改进，所述有限元分析模型的核心算法涉及以下步骤：

S1、将复合材料结构离散化为有限元单元；

S2、定义复合材料的材料特性；

S3、建立线性系统方程分析材料在不同方向上的不同力学性能；

S4、利用材料特性和有限元单元的几何形状，构建每个单元的局部刚度矩阵

S5、求解线性系统方程，以获得位移向量，并基于解的位移向量，计算每个有限元单元的应变和应力分布，并分析模拟结果，以评估结构的性能。

作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，所述线性系统方程可以表示为：

；

其中，

作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，局部刚度矩阵

；

其中，B表示应变-位移关系矩阵；D表示弹性刚度矩阵；

进一步地，将所述局部刚度矩阵转换为全局刚度矩阵，具体公式为：

；

其中，

作为本技术方案的进一步改进，所述位移向量的计算具体公式为：

；

其中，

每个有限元单元的应变和应力分布计算方法具体为：根据节点处的位移向量

作为本技术方案的进一步改进，所述数据分析模块将分析结果直接与材料特征数据库中的标准数据进行对比，进行异常数据判断；

具体的，异常数据判断的算法模型具体为：

；

其中，

作为本技术方案的进一步改进，将上述异常数据判断算法模型通过支持向量机进行算法优化构建优化模型，具体优化模型为：

；

约束调节为：

；

其中，

进一步的，支持向量机的决策函数输出值为：

；

其中，

作为本技术方案的进一步改进，所述追踪监测单元包括监测模块和报警模块；其中，监测模块用于接收异常数据，并将异常数据传输至报警模块，由报警模块对异常数据进行报警。

另一方面，本发明提供了一种航空用复合材料的静态力学性能采集分析方法，用于上述中任意一项所述的航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统，包括如下步骤：

S10.1、通过传感器采集复合材料的静态力学特性数据，通过模数转换器将传感器采集的数据由模拟信号转换为数字数据，将数字数据存储至数据存储模块中；

S10.2、由数据预处理模块对采集的数据进行数据清洗，用于提高数据的准确性和完整性；

S10.3、通过数据分析模块将经过预处理的传感器采集的数据进行分析，基于有限元分析模型得到复合材料的静态力学数据；

S10.4、将静态力学数据与材料特征数据库中的标准数据进行对比，得到异常数据；

S10.5、由监测模块用于接收异常数据，并将异常数据传输至报警模块，通过报警模块对异常数据进行报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法中，基于有限元分析模型对采集的数据进行分析，实现对复合材料内部力学行为的高度精确的模拟和分析，并结合弹性力学理论，可以更准确地评估复合材料的力学特性。

2、该航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法中，建立数据存储模块和材料特征数据库，通过数据分析模块将分析结果直接与材料特征数据库中的标准数据进行对比，可快速分析出异常数据，快速地评估复合材料的力学特性。

附图说明

图1为本发明的整体流程框图。

图中各个标号意义为：

1、数据采集单元；2、数据预处理及分析单元；3、追踪监测单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。

实施例1：

请参阅图1所示，提供了航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统及方法，航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统包括：

数据采集单元1，用于采集静态力学特性数据；数据采集单元1包括传感器、模数转换器和数据存储模块，传感器用于监测并采集复合材料的静态力学特性数据，模数转换器用于将传感器采集的数据（由模拟信号转换为数字数据）存储至数据存储模块中；传感器至少包括应变计、应变片、位移传感器、压力传感器和温度传感器，传感器用于监测复合材料结构参数。

还包括数据预处理及分析单元2，基于有限元分析模型对采集到的数据进行分析，以验证采集的数据和评估复合材料结构的性能；数据预处理及分析单元2包括材料特征数据库、数据预处理模块和数据分析模块，其中，材料特征数据库用于存储复合材料力学特征的标准数据；

数据预处理模块用于对传感器采集的数据进行预处理，预处理包括数据清洗，用于检查数据质量，处理缺失值、异常值和重复数据；

数据分析模块基于有限元分析模型将经过预处理的采集的数据进行分析，得到复合材料的静态力学数据。

有限元分析模型的核心算法涉及以下步骤：

S1、将复合材料结构离散化为有限元单元，有限元单元具体指将复杂结构分割成简单几何形状的小单元；

S2、定义复合材料的材料特性，材料特性包括弹性模量、泊松比和强度；

S3、建立线性系统方程分析材料在不同方向上的不同力学性能，线性系统方程用于表示材料受力时的行为；线性系统方程可以表示为：

；

其中，

D为弹性刚度矩阵，表示材料应力和应变关系的一个重要参数；

表示应变张量，表示材料形变的程度和方向。

S4、利用材料特性和有限元单元的几何形状，构建每个单元的局部刚度矩阵

；

其中，B表示应变-位移关系矩阵，用于表示复合材料的应变如何随着位移而变化，是一个重要的线性近似关系；

D表示弹性刚度矩阵，以及复合材料在给定应变下的应力响应的重要参数，包括复合材料的弹性模量以及材料的几何特性，用来表征材料的刚度；

进一步地，将局部刚度矩阵转换为全局刚度矩阵，具体公式为：

；

其中，

为局部刚度矩阵，用于表示单个有限元单元内部的刚度特性，反映了复合材料在该有限元单元内的应变-应力关系；

为坐标转换矩阵，坐标转换矩阵

S5、求解线性系统方程，以获得位移向量，并基于解的位移向量，计算每个有限元单元的应变和应力分布，并分析模拟结果，以评估结构的性能；

位移向量的计算具体公式为：

；

其中，

表示位移向量；

每个有限元单元的应变和应力分布计算方法具体为：根据节点处的位移向量

有限元内部的位移梯度公式具体为：

；

其中，

根据有限元内部的位移梯度

具体计算公式为：

。

其中，已知的位移向量U指结构中各个节点处的位移向量，具体地，对于一个有限元模型，结构被离散化为许多小的单元，每个单元通常与一组节点相关联，在结构受到外部载荷作用时，这些节点会产生位移。

数据分析模块将分析结果直接与材料特征数据库中的标准数据进行对比，进行异常数据判断；

具体地，异常数据判断的算法模型具体为：

；

其中，

将上述异常数据判断的算法模型通过支持向量机进行算法优化构建优化模型，以寻找一个能够最大化分类间隔并且最小化分类错误的超平面，构建一个支持向量机模型来寻找一个超平面，具体优化模型为：

最大化分类间隔为：

；

且约束调节为：

；

对于每个检测值

其中，

进一步的，支持向量机的决策函数输出值为：

；

其中，

在航空用复合材料的静态力学性能采集分析方法的异常检测中，将决策函数输出值

还包括追踪监测单元3，追踪监测单元3用于接收异常数据，并对异常数据进行报警；进一步地，追踪监测单元3包括监测模块和报警模块；其中，监测模块用于接收异常数据，并将异常数据传输至报警模块，由报警模块对异常数据进行报警，报警模块通过声响警报器、警示灯中的任意一种，用于实现对异常数据发出警示。

实施例2

本发明实施例2与实施例1的区别在于，本实施例是对上述的航空用复合材料的静态力学性能采集分析系统所使用的静态力学性能采集分析方法进行介绍。

航空用复合材料的静态力学性能采集分析方法，包括如下步骤：

S10.1、通过传感器采集复合材料的静态力学特性数据，通过模数转换器将传感器采集的数据由模拟信号转换为数字数据，将数字数据存储至数据存储模块中；

S10.2、由数据预处理模块对采集的数据进行数据清洗，用于提高数据的准确性和完整性；

S10.3、通过数据分析模块将经过预处理的传感器采集的数据进行分析，基于有限元分析模型得到复合材料的静态力学数据；

S10.4、将静态力学数据与材料特征数据库中的标准数据进行对比，得到异常数据；

S10.5、由监测模块用于接收异常数据，并将异常数据传输至报警模块，通过报警模块对异常数据进行报警。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。