[发明专利]一种薄壁结构横截面特征形变识别方法及装置

说明书

本发明公开一种薄壁结构横截面特征形变识别方法及装置，该方法首先对横截面离散化处理，建立基于位移连续条件的初始变形模式，并线性叠加建立三维位移场，然后采用一维高阶理论获取薄壁梁振动控制方程。进而求解特征值问题解耦出包含所有模态信息的广义矩阵。依据各阶振型基于特征频率大小划分的优先级关系，将多阶模态向量整合为模态向量矩阵，通过主成分分析识别出主要截面变形模式。不断识别出新的截面变形模式，直到新识别出的模式对整体变形贡献率小于某一阈值，停止识别。本发明可以同时处理任意多阶数的模态向量，大大提高了识别的效率，降低了计算成本；同时，能够及时消除已经识别出的模式对下一次识别的影响，提高了识别精度。

技术领域

本发明属于薄壁结构动力学建模分析领域，特别涉及一种薄壁结构横截面特征形变识别方法及装置。

背景技术

薄壁结构具有刚度/质量比大、承载性能优异等突出优势，因此被广泛应用于车辆工程、航空航天工程、机械工程等领域。在工作过程中薄壁梁在受到外部任意偏心载荷作用下，截面容易出现大位移和大扭转，同时存在预屈曲、翘曲、扭弯和弯扭耦合等相互作用。这将直接影响到工程设备的工作性能，甚至威胁工作人员的生命财产安全，研究薄壁结构截面变形具有重要的现实意义。

目前在薄壁梁建模领域，模型简单、计算效率高的一维高阶模型已成为分析薄壁结构的一种高效、精确的策略。但是，现有的技术在以下方面仍存在诸多挑战。(1)难以合理定义一系列具有清晰物理意义的截面变形模式。(2)难以在保证精度的前提下，采用足够少的变量描述梁的形变特征。因此通过截面特征形变识别提取，降低薄壁结构建模自由度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，针对薄壁结构一维动力学建模，自由度多计算效率低、难以定义一组合理且具有清晰物理意义的截面变形模式的问题，提供一种薄壁结构横截面特征形变识别方法及装置，可高效准确且能够适用于机器自动执行。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种薄壁结构横截面特征形变识别方法，包括如下步骤：

步骤A：对薄壁结构横截面中线离散化处理，将薄壁梁沿轴向离散为多个单元，建立一系列与离散节点相关的基函数捕捉截面上任一点的位移；在一维高阶理论的基础上，根据能量法建立薄壁梁微分控制方程；

步骤B：求解薄壁梁微分控制方程，得到广义特征向量；广义特征向量对应的多个截面的基函数组合系数；广义矩阵包含了薄壁梁变形的所有信息；

步骤C：从广义特征向量中提取平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩阵；

步骤D：对此时的平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩阵分别进行主成分分析，识别出平面外截面特征形变向量与平面内截面特征形变向量，即截面变形模式；

步骤E：使识别出的平面外与平面内截面特征形变向量分别与平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩阵中所有的截面变形向量正交化，得到更新的平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩；

步骤F：计算此时的截面变形模式对整体变形的贡献率，若贡献率大于阈值，则跳转重复步骤D-E，不断更新平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩阵，直到此时的截面变形模式对整体变形贡献率小于阈值，停止识别，输出此时的截面变形模式。

进一步的，从广义特征向量中提取平面外形变向量矩阵和平面内形变向量矩阵的方法包括：

依据各阶振型基于特征频率大小划分的优先级关系，将广义特征向量整理为平面内形变向量矩阵M_out和平面内形变向量矩阵M_in，如式(1)所示：