用于校准数学模型的方法技术

技术编号:3753318 阅读:195 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
公开一个用于校准一个元件的数学模型方法,使用全场用实验方法收集的变形/应变数据的原型。更准确地说,该方法包括使用应变灵敏涂层材料然后将所述的数据映射到一个CAD网络模型上来获得真实的实验现场数据。然后该分析网络模型被比作一个基于涉及如限制条件的理论值的有限元模型。然后校准该有限元模型限制条件来反映来自实验现场测量的值。一旦校准,该模型能用被来优化元件的设计。(*该技术在2021年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及元件设计,更准确地说,本专利技术涉及构筑元件模型的更精确和有效的方法。目前,CAE方法通常依赖于通过一个计算机仿真运行的理论数学模型。分析的结果只是与该模型一样准确。模型的精确度通常是一个工程师投入到创建这个模型的时间、精力和技术的一个函数。模型的精确度也依赖代码的精确度和原有的假设。一旦该模型完成,通常必须将它校准到它表示的实际的具体设备,以便产生逼真的故障模式和耐久性预测。通过在一个实体模型上使用应变仪,校准通常依赖离散点收集的数据。校准所依赖的该“应变仪方法”的模型经常是不精确的。应变仪的尺寸、方向以及位置是导致不精确的主要原因。将应变仪安装在某一具有高的应力集中的表面(凹面、孔等)上有时是很困难的以及用来测量在某一环境(例如,高的应变梯度)诱发的应变有时是不切实际的。应变仪通常是指“点测量传感器”。应变仪网格线只测量在它的应用方向中和在它的位置上的变形元件。它只报告在由应变仪占有的区域上测量到的变形的平均值。由于应变仪测量在离散点上的应变,对应变仪位置的少量选择可能分布的不精确。基于具有奇数几何结构的三维部件的应变仪的外推法也能导致一个不精确的模型。另外,大部分的应变仪装置会占用工程师和技术员的宝贵的时间。通过提供一个用于精确地为元件制作模型的改进方法,本专利技术克服了在先技术方法的缺点。在本专利技术的一个实施例中,公开了一个用于校准一个数学模型的方法。该方法使用一种能够对表面应变梯度提供全场光学指示的材料来覆盖一个元件。此后将一组负载施加于所述元件。一旦诱发出机械应变,就能察觉到该应变的梯度光学指示,因此获得一个模型应变结果图。然后将模型应变结果与实际的结果进行比较。因此,计算一组新的临界状态并用来生成实质上等于该实际的应变值的模型应变结果。在本专利技术的另一个实施例中,利用该方法来优化元件设计。在如上校准了该数学模型后,当遇到应力时,通过该模型能运行用于一个特定的元件的多种设计来获得每一个设计性能精确的测量。基于这些结果,能够由用户或制造商选择一个满足特定需要的特定设计。在本专利技术的另一个实施例中,公开了一个用于将实验数据映射到三维计算机模型的一个计算机系统。该计算机系统利用一个处理器和一个摄影机。该系统进一步利用一个用于接收基于实验结果的软件程序。然后软件程序将该数据从实际结果映射到一个三维的计算机模型上。图2是表示该方法的最佳实施例的缩写版本的流程图,该方法使用一个应变灵敏涂层来校准一个数学模型、以及通过使用校准的数学模型来优化元件设计。图3示出了一个用来将实验结果映射到一个分析的计算机辅助制图(“CAD”)网络模型的系统。最佳实施例的说明现在参照附图,附图说明图1示出了一个用于校准一个数学模型和优化一个元件的设计的方法的最佳实施例。参照图1,第一步骤10要求建立一个实际元件的原型以便进行分析。该元件的原型只受一个制造商的想象和需要的限制。换句话说,希望用于优化一个数学模型的以下的方法不受元件的大小和形状的限制。步骤20涉及在步骤10的原型元件上运行实际应变试验,目的是开发一种全场的测量。当该元件遇到应力时,全场测量反映在连续的点上元件的测量。存在几个全场测量技术,包括但不限于波纹的干涉测量法、几何波纹、SPATE、斑点法、全息干涉测量法、脆性和光弹性涂层和数字图像相关。这些技术在本领域是公知的。用于在该最佳实施例中执行这些实际应变测试的方法包括应变灵敏涂层(SSC)的使用。正如本专利技术所期望的那样,SSC是一个能被应用到一个元件表面的基于聚合物的涂层。用一个光源照射,该SSC能以不同的波长发射光。SSC能由许多高聚物或相关的材料如聚乙烯(异丁烯酸甲脂)、聚乙烯(酰亚胺)、聚乙烯(硅酯)、polyaminine、聚乙烯(三聚氰胺)、聚乙烯(聚氨酯橡胶)等等组成。SSC的表面可能是许多金属、有机聚合物、合成物和陶瓷。将发光化合物掺入到SSC中以使其发光。发光化合物和共轭的有机染料的例子如若丹明B、聚乙烯(亚苯基1,2亚乙烯基)以及花青色素。当用近的UV或蓝光照射SSC时,在聚合物中的发光染料被分解来发射绿或红光。当基片遭到机械应变时,被分解的在高聚物涂层中的染料的发光强度增加。这是因为两个因素结合的效果(1)因为在聚合物/空气界面上的总的内部反射,对观察者来说可见的荧光被削弱;以及(2)在聚合物薄膜中的裂纹中断总的内部反射以及允许荧光从该薄膜更有效的发射。最终结果是对观察者来说可见的荧光强度大约与在下面的基片上的机械应变成线性比例。阐述该涂层以便能将它应用到一个实体模型中。一个例子将阐述以气溶胶形态存在的涂层,用于使它能够象一个薄膜一样运用到实体模型上。元件所遭到的机械应变能通过各种方法成像/测量。一个方法是通过绿色或红色滤光镜目测或自动检测发光强度。另一个方法是通过一个绿色或红色滤光镜,使用用卤化银薄膜技术的静止摄影术。最后,通过一个绿色或红色滤光器,使用一种专业级CCD摄象机的数学摄影术。在每一种情况中,目测系统的空间分辨率是可调整的以致在图像中看不到单个的因应力诱发的裂缝,但在一个区域上能观察到与应力成比例的相当或平均的强度。由这些方法中的任何一个成像的发光强度分布能被用来产生在下面基片上的一个机械应变范围的映象。因此,如本专利技术所期望的那样,步骤20包括用SSC覆盖该元件。然后,用上面所描述的方法中的一个来测量在该元件上的应变。步骤30要求将从上面步骤所获得的实验结果映射到一个分析CAD风格模型上。为理解该步骤,应注意,正如前面所指出的,实际试验最好使用摄像机记录。摄像机提供在实际部件上的应变的一个两维的视图而典型的工程软件提供一个特定元件的表面几何结构的一个三维视图。因此,在该步骤中提到的数据映射表示从摄像机的二维视图到元件的表面几何结构的三维CAD模型的转换。此外,通过使用几个摄像机,同时可以映射一个元件的多种视图以允许用户观察该模型来发现特定的应变梯度。用于该步骤30中的系统将在图3中更详细地描述。步骤35包括为所述的实际元件开发一个有限元模型。这是通过在本领域公知的各种方法来完成的。有一个例子是使用CAE软件。步骤40包括将理论值或“限制条件”应用到有限元模型。限制条件涉及放在该模型上的与如材料、负载性能等那样相关的负荷和限制。这些限制是基于在机械设计中传统使用的假定。阐述这些限制条件来模型实际元件在它的工作环境中的工作状态。通过“应用”,也就是说该数据被输入到有未知值存丰的有限元模型中。下一步,正如50中所示,实际测量数据与理论数学模型进行比较。当与实际的实验范围测量并列时,要求比较基于限制条件假定的理论结果。做这种比较来确定实际实际结果与模型结果之间的差异。大多数时候都有差异,因为这不像理论值一开始将与实际实际结果匹配。在步骤60,使用来自于实际试验的实际值来优化或校准该理论模型。通过调整限制条件,也就是用在未校准的数学模型中的理论“假定”来执行校准,因此限制条件反映了来源于使用实际原型元件的应变试验的真实性。换句话说,来自实际结果的该“真实的”数据被汇合到理论模型中,因此假定的理论模型现在用实际数据替换。来自实际结果的应变数据和理论数学模型的会聚优化该模型,因此能分析在它们的使用环境中的元件的精确表示。该“迭代优化技术”最好通过使用计算机和所附的计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于校准一个数据模型的方法,包括以下步骤:(a)提供一个元件,所述元件使用一种能够光学地指示表面应变梯度的材料覆盖;(b)将机械应变施加到所述元件;(c)感知所述表面应变梯度的光学指示以便获得一个实际结果;(d)提供一个所述 元件未校准的数学模型;(e)将所述的限制条件的理论值应用到所述的未校准的数学模型来获得一个模型结果;(f)将所述的未校准的数学模型结果与所述的实际结果进行比较;(g)调整所述未校准数学模型的限制条件,直到所述的模型结果基本等于所 述的实际结果。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员:WH埃尔拉塔
申请(专利权)人:维斯通环球技术公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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