[发明专利]一种基于载荷与状态结合的飞行器结构强度数字孪生方法

权利要求书

1.一种基于载荷与状态结合的飞行器结构强度数字孪生方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：根据实体结构实际物理模型，以及模型结构外部约束条件，确定结构未知外载荷作用点，根据模型几何参数确立结构载荷识别的网格模型与结构状态识别的网格模型，并在此基础上建立模型结构的数字孪生模型的模型计算网格；

第二步：基于结构载荷识别网格模型，利用泰勒级数展开法TIAM算法，对考虑不确定性的结构数字模型构造分布式动态载荷的时域识别模型；首先，应用正交多项式拟合结构分布式动态载荷，建立结构在时域内的逆向模型，进而得到结构动响应与正交多项式系数之间的联系，利用结构上有限测点的动响应信息及结构的动态特性实现对正交多项式系数的求取，从而构造完成基于正交多项式展开的确定性结构分布式动态载荷时域识别模型；

第三步：根据结构状态识别的网格模型，识别结构损伤的位置信息，确定候选损伤单元损伤定位指标；

第四步：在确定候选损伤单元损伤定位指标的基础上，通过优化方法确定损伤单元中每层的损伤程度和损伤类型，采用优化方法识别损伤程度；通过模式搜索法(Hook andJeeves，HJ)来求解优化问题；通过搜索谷线或脊线方向来加速优化；重复这两个步骤直到满足精度要求；整个过程可分为三部分，即未损伤结构的模型修正、损伤定位和损伤量化；

第五步：通过构建的结构数字模型网格，对结构上位置载荷作用点上识别的载荷与结构内部各节点损伤状态进行输出，形成物理结构的动态数字孪生模型；同时，考虑结构外部载荷识别更新频率与内部损伤状态更新频率的差异性，建立动态更新模型对不同周期下得到的外部载荷，结构内部损伤状态以及已知传感器获取的动态数据进行同步更新；

第六步：在动态数字孪生模型基础上，建立静载作用下含温度影响的飞行器典型结构渐进损伤演化模型，建立针对复合材料的典型的渐进损伤模型的应力分析，损伤判据，以及损伤后材料的性能退化方案；建立静载作用下含温度影响的复合材料渐进损伤仿真方法，利用有限元方法对渐进损伤模型进行损伤演化迭代计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于载荷与状态结合的飞行器结构强度数字孪生方法，其特征在于：所述第二步中，利用TIAM算法对典型结构在考虑不确定性下的结构分布式动态载荷进行识别，利用正交多项式拟合结构分布式动态载荷，建立结构在时域内的逆向模型，进而得到结构动响应与正交多项式系数之间的联系，利用结构上有限测点的动响应信息及结构的动态特性实现对正交多项式系数的求取，从而构造完成基于正交多项式展开的确定性结构分布式动态载荷时域识别模型，飞行器结构强度数字孪生方法的主要特征之一即建立动态载荷识别模型对结构动态载荷的识别与载荷孪生。

3.根据权利要求1所述的一种基于载荷与状态结合的飞行器结构强度数字孪生方法，其特征在于：所述第三步、第四步中，通过计算结构损伤前后的模态应变能，计算出损伤定位指标，并在确定候选损伤单元损伤定位指标的基础上，通过优化方法确定损伤单元中每层的损伤程度和损伤类型；具体计算方法如下：

每个单元的模态应变能(Modal Strain Energy，MSE)可以按照如下公式计算：

其中MSE_ij表示第i阶模态第j个单元的单元应变能，K_j代表第j个单元的刚度矩阵，代表第i阶模态振型；

结构损伤的位置通过损伤前后模态应变能的变化率来确定；通过计算结构损伤前后的模态应变能，计算出损伤定位指标，即模态应变能变化率(Modal Strain Energy ChangeRatio，MSECR)：

其中，

其中n代表选用的模态阶数，m代表单元数，^hf_i代表未损伤结构的第i阶模态频率，^df_i代表损伤结构的第i阶模态频率，公式中的权重系数^hf_i²/^df_i²会减小模态频率变化小的模态的影响，指标超过阈值的单元被视为损伤单元。