[发明专利]一种基于改进质量放大技术的绳网动作可靠性仿真方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种绳网动作可靠性仿真方法，尤其涉及一种基于改进质量放大的绳网动作可靠性仿真方法，属于仿真技术领域。

背景技术

随着产品对可靠性的要求越来越高，对产品的可靠性分析计算的要求也越来越高。大变形柔性绳网目前在日常生活中的各种任务执行过程中扮演着重要的角色，如何保证绳网在任务执行过程中的可靠性也是一个重要问题。大变形柔性绳网的任务可靠性计算是目前的一个难题，主要体现在：绳网作为大变形柔性体，在动力学分析中具有极强的非线性特点，这不仅给绳网的动力学分析带来困难，同时给可靠性仿真计算带来了耗时太长，计算效率低的问题，同时还表现在绳网动作可靠性函数的拟合精度问题。因为，如何提高柔性绳网可靠性仿真过程中的计算效率和计算精度在工程领域受到了广泛关注。

柔性绳网运动问题是一个大变形动态非线性问题，大变形动态非线性问题的计算和分析可以说是代表目前有限元分析的最高水平，也是目前还处于迅速发展的领域。对于此类问题中存在的几何非线性和材料非线性问题，用于计算求解的方法主要有两种：静力隐式算法和动力显示算法。静力隐式算法的特征是迭代计算，在每一时间步内需反复迭代，迭代收敛性会受到许多因素的影响，在计算中调整迭代以满足收敛，而且其计算时间随模型单元数量呈指数增长，所以其计算时间长。而动力显示算法是递推计算，无需迭代，就时间步长直接进行递推计算，计算时间随单元数量呈线性增长，计算时间短，而且可以通过质量缩放来缩短计算时间，所以对于大规模计算和高度非线性问题，动力显示算法总体效率要比静力隐式算法高，优势明显。

结构动力学响应分析是动力显示算法在有限元分析中通常被用来解决的问题，由于动力显示算法采用的中心差分法是通过对时间求导进行计算，引入了质量矩阵，所以在结构动力响应分析中用于平衡方程式中的离散质量矩阵对计算效率和精度都起着至关重要的作用。在这类问题的模拟中，如何正确适当地运用质量缩放方法，使其在保持计算精度和稳定结果的同时提高计算效率，成为一个至关重要的问题。动力显示算法的中心差分法是条件收敛的，其稳定的收敛条件是：其中□t为时间步长，□t_cr为临界时间步长，T_n为有限元系统的最小固有振动周期。在问题分析中，时间步长必须小于该问题求解方程的临界时间步长，否则算法将不收敛。临界时间步长可近似为应力波通过任一单元网格所消耗时间的最小值，即：其中L_min为模型中单元的最小长度，与网格划分的疏密程度相关；C_d为应力波在单元中的传播的速度。对于绳网材料，有其中E为弹性模量，ρ为材料密度。在动力显示算法求解时，所消耗的时间长短与增量数n有直接联系，n可以表示为n=T/□t_cr，其中T为整个模拟过程中完成所需要的时间周期。可以看出n值大小与实践周期T成正比，与单元长度L和ρ值成反比。n越小，则计算效率越高。动力学响应的计算过程中，单元长度代表着网格的疏密，增大单元长度会降低计算精度，达不到精确分析的效果，一般来说不可取的。对于增大密度，根据塑性变形的体积不变原理，增大密度就是增大质量，质量增大α倍，则n值就会减小倍。这就是质量放大方法的原理，通过质量放大，既可以保证计算的稳定性和精确度，又能有效的提高计算效率。

质量放大的方法和准则：通过用户给定的质量缩放因子进行缩放，用户输入质量想要的放大的倍数及缩放因子值a，则临界时间步长将会放大倍。在选择缩放系数的时候，必须要对系数进行合理选择。如果缩放系数过大，则随之产生的虚拟惯性力会影响到计算的精度和收敛性，缩放系数太小则达不到提高计算效率的目的。在一般的工程中，质量缩放的原则是无论采用何种方法进行缩放，必须保证在整个过程中的动能值要较小，动能与势能的比值不能超过0.1。在满足这个前提条件的情况下进行缩放，一般都是可行的。下面是对结构进行质量缩放，如何在满足质量缩放的原则下保证质量缩放的系数最大化，这是一个优化问题，本方法利用粒子群优化算法得到最佳的缩放系数值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为解决传统大变形柔性绳网在动作可靠性仿真时存在的仿真时间过长的实际问题，本发明提供一种基于改进质量放大的绳网动作可靠性仿真方法，在绳网动力学有限元分析的基础上，采用改进的质量放大方法，大大缩短柔性绳网的显示动力分析的时间，提高了柔性绳网的可靠性仿真效率。

本发明的技术解决方案是：一种基于改进质量放大技术的绳网动作可靠性仿真方法，包括以下步骤：

（1）根据柔性绳网的材料性能参数建立柔性绳网的有限元模型；