一种基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法与流程

1.本发明属于雷达结构领域，尤其涉及一种基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法。

背景技术：

2.地面机动雷达装备是高精度、高集成的复杂机电产品，其结构组成通常可以划分为天线阵面、天线座和载车平台三个部分。雷达工作环境恶劣，温度、重力、风载、转动惯性载荷引起的结构变形及应力直接影响着雷达电讯性能和设备健康状态。因此，针对雷达各承力结构实施变形和应力实时监测具有十分重要的意义。
3.常规应力测量方法是直接在各承力结构的局部位置布置应力传感器，通过实测结果的插值计算获取全局应力场，该方法需要通过增加测点数量来提升应力插值的准确度。考虑到雷达装备实际的结构外形、机构运动以及传感器、数采硬件成本等限制，应力测点数量难以增加，并且许多较大应力区域无法直接布置，因此该方法预测全场应力存在较大误差。
4.另一方面，基于精准有限元模型的变形和应力分析是目前复杂装备的结构健康评估的一个重要手段，但是仿真分析中外载荷输入难以直接测量，通常依靠经验、规范设定，与实际工况存在很大差异，载荷的不准确因素直接影响到结构变形与应力场分布。

技术实现要素：

5.为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法，以解决雷达整机在复杂工况下承力结构全局变形与应力实时预测问题。该方法依据载荷传递特性对雷达阵面-天线座、天线座-平台之间的连接机构进行基于实测应变的载荷识别，将识别的载荷输入到阵面、天线座、平台结构的精准有限元模型进行变形、应力仿真计算。为保证实时性，该方法构建了雷达结构数字孪生体，实现了通过有限实测应变数据实时预测雷达结构全局变形与应力场。该方法有准确性高、实时性强、实现成本较低、容易部署实施等特点，适合在雷达装备结构健康监测领域推广使用。
6.基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法(以下简称为方法)总体架构如图1所示，以有限的实测应变为输入，通过载荷识别、力学仿真两个降阶模型联合计算，得到实时的全场变形和应力输出。该方法的具体实施技术流程如图2所示，主要由载荷识别、降阶模型和数字孪生体模型部署三个部分组成。
7.1)载荷识别过程，即从应变辨识载荷模型，是力学分析的反过程。首先选定测量对象，要求在整机结构传力路径上且各载荷分量明确清晰的结构件，如各连杆机构的，对测量对象建立有限元模型并进行单位载荷仿真分析，计算、优化应变片布置位置，然后在分析对象实物上安装的应变传感器，并记录实际承载工况下的测量信号，最后进行载荷识别获得测量信号对应的载荷数据。各连杆机构的载荷识别采用true-load软件来实现，工作理论以载荷、变形、应变之间的线性关系为基础，根据有限元模型中单位载荷的分析结果，规划应
变片的合理位置并控制数量，根据实际测试的应变，识别出有限元模型中相应的实际正确载荷。所有来自系统的振动和非线性效应都已计入到部件的载荷中。
8.2)降阶模型过程，本方法中使用的降解模型包括两个部分，一是利用测量对象(各连杆机构)实测应变数据和经true-load软件辨识得到的载荷数据，通过响应面方法直接建立载荷识别的降阶模型(rom1)；二是利用分析对象(阵面、天线座、平台结构) 的精准有限元模型以各载荷分量为输入变量、以变形场及应力场为输出变量，进行试验设计(doe)计算，形成足够数量的训练样本数据，采用奇异值分解法对三维的变形、应力等场类型数据进行线性分析，实现数据的压缩，然后利用响应面的方法建立降阶模型(rom2)，从而形成物理场的实时或准实时计算。该过程将三维和有限元模型降阶为一维数字孪生模型，考虑了非线性因素对结果造成的影响，并采用机器学习等方法进行结果的内插与外推，从而保证整体计算精度。
9.3)数字孪生模型部署过程，首先依据载荷传递关系，利用载荷识别降阶模型(rom1) 及应力/变形场降阶模型(rom2)搭建数字孪生体模型，然后进行封装并导出twin文件，最后生成可执行sdk文件夹。该文件夹可部署到第三方的数字孪生平台上，脱离载荷识别、有限元计算商业软件，实现实时输入应变测量信号而产生实时响应的应力/ 变形场数据。
10.本发明基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法旨在利用传力路径上有限的应变传感器布置，实现雷达整机承力结构全局变形场与应变分布场的准确预测，能以便捷的应变传感器布置、较小的数据采集硬件成本，实现在温度、重力、风载等各种复杂载荷下雷达整机承力结构健康状态监测，为雷达装备运行维护提供可靠保障。
11.基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法通过载荷传递特性将雷达整机承力结构划分为多个研究对象的组合体，对测量对象构建了从实测应变到特征载荷的降阶模型、对分析对象构建从特征载荷到全局变形/应力的降阶模型，再将两种降阶模型联合形成了基于有限实测应变数据预测全局变形与应力场的降阶模型，即构建了雷达结构物理模型的数字孪生体。这种基于数字孪生的变形与应力预测方法可以有效控制各部分力学仿真模型规模，既保证了降阶模型精度，又显著缩短了仿真运行时间，具有实时性好、准确性高等优点，为雷达结构健康监测提供了一个崭新的技术途径。
12.本发明的有益效果在于
13.1)本发明的方法相比直接测量法能够缩小应变传感器数量、有效控制集仪通道数，具有更高的经济性；本发明的方法不直接在分析对象(通常为设备总装结构)上布置传感器，直接避免了各种有效载荷的干涉与互相影响问题，具有更好的可实施性，尤其适合在已有雷达装备上进行后期改造，不影响原有设备布局。
14.2)本发明的法充分利用雷达结构数字孪生体，实现了从有限应变测量到全场变形、应力的预测，很好地兼顾了准确性和实时性；相应的数字孪生文件夹部署后，既脱离了商业软件束缚，又降低了对计算机硬件配置要求，十分适合在已有雷达装备的后端设备上部署、运行。
15.因此，本发明在需要监测雷达装备承载结构在复杂工作环境下健康状态的场合具有广泛的应用前景和很高的操作性。
附图说明
16.图1为本发明的总体架构。
17.图2为本发明的具体技术流程。
18.图3为雷达结构布局示意图。
19.图4为倒竖连杆1应变片布置示意图。
20.图5为倒竖连杆1载荷识别降阶模型图。
21.图6为天线座应力分析降阶模型图。
22.图7为平台结构应力孪生体模型封装流程图。
23.图8为平台结构应力孪生体模型搭建图。
24.图9为平台结构应力数字孪生模型图。
25.图10为平台结构应力云图。
具体实施方式
26.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
27.以地面某型机动雷达为例，雷达结构布局及应变测量对象、分析对象分布见图3。平台、天线座、阵面结构为分析对象，平台-天线座之间的架高连杆、天线座-阵面之间的倒竖连杆为应力测量对象。
28.根据各连杆在雷达整机中载荷作用形式，完成单位载荷静载分析，并依据实际允许布置应变片区域，采用true-load载荷识别软件进行测试预分析，合理布置各连杆上应变片的位置、方向和数量，确保载荷识别结果的高置信度。以倒竖连杆1为例，应变片布置情况见图4。
29.结合各连杆的应变试验数据，在true-load软件进行载荷识别计算，得到各个连杆的上销轴处载荷分量值。将应变数据作为输入量，将识别的载荷数据作为输出量，利用响应面方法生成载荷识别降阶模型(.fmu文件)。以倒竖连杆1为例，见图5。
30.在ansys workbench中对平台、天线座、阵面结构进行应力和变形的分析。以各连杆的载荷分量为输入，以全局变形及应力为输出，并选择合理的doe方案后，生成样本点训练数据(.bin文件)，再利用ansys twin bulider生成应力及变形分析的降阶模型。以天线座应力分析模型为例，生成的降阶模型见图6。
31.基于上述两种降阶模型，利用ansys twinbuilder中分别建立平台、天线座和阵面结构的应力/变形数字孪生体模型，并封装。以平台结构应力为例，以架高连杆1、2应变测量值为输入，按载荷传递关系联立两种降阶模型，得到平台全局应力输出(.bin文件)，其数字孪生体模型搭建流程示意图如图7所示,搭建效果见图8，封装成twin文件，如图9所示。
32.平台、天线座、阵面结构等变形和应力的数字孪生模型twin文件经ansystwindeployer处理，转化为可执行sdk文件夹，可供第三方的数字孪生软件平台部署。获取实测应变数据输入后，sdk文件夹经调用、运行即可得到平台、天线座、阵面结构实时的变形、应力场数据(.bin文件)。结果文件经可视化处理，形成变形、应力场实时动态云图，以平
台结构应力云图为例，见图10。
33.本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法，其特征在于：包括载荷识别、降阶模型生成和数字孪生体模型部署三个步骤；1)载荷识别基于雷达阵面、天线座和平台三个分析对象，首先选定测量对象为在整机结构传力路径上且各载荷分量明确清晰的结构件，对结构件建立有限元模型并进行单位载荷仿真分析，计算、优化应变片布置位置，然后在分析对象实物上相应位置安装应变传感器，并记录实际承载工况下的测量信号，最后进行载荷识别获得测量信号对应的载荷数据；2)降阶模型降阶模型包括两个部分，一是利用测量对象实测应变数据和经true-load软件辨识得到的载荷数据，通过响应面方法直接建立载荷识别降阶模型；二是利用分析对象的精准有限元模型以各载荷分量作为输入变量，以变形场及应力场作为输出变量，进行试验设计计算，形成足够数量的训练样本数据，采用奇异值分解法对包括三维的变形、应力的场类型数据进行线性分析，实现数据的压缩，然后利用响应面方法建立应力/变形场降阶模型，从而形成物理场的实时或准实时计算；3)数字孪生模型部署首先依据载荷传递关系，利用载荷识别降阶模型及应力/变形场降阶模型搭建数字孪生体模型，然后进行封装并导出twin文件，最后生成可执行sdk文件夹。

技术总结

考虑到雷达装备实际的结构外形、机构运动以及传感器、数采硬件成本等限制，常规应力测量的应力测点数量难以增加，并且许多较大应力区域无法直接布置，因此预测全场应力存在较大误差。本发明提出了一种基于数字孪生的雷达结构变形与应力实时预测方法，旨在利用传力路径上有限的应变传感器布置，实现雷达整机承力结构全局变形场与应变分布场的准确预测，能以便捷的应变传感器布置、较小的数据采集硬件成本，实现在温度、重力、风载等各种复杂载荷下雷达整机承力结构健康状态监测，为雷达装备运行维护提供可靠保障。维护提供可靠保障。维护提供可靠保障。