本發(fā)明涉及溫度場(chǎng)數(shù)值分析領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠有效提高溫度場(chǎng)有限元模型精度且易于實(shí)現(xiàn)的建模及分析方法。
背景技術(shù)：
眾多產(chǎn)品在運(yùn)行過程中的溫度場(chǎng)分布合理性與熱穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品性能的重要因素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段熱因素的影響是需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段多以數(shù)值分析的方法獲得產(chǎn)品的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力的分布，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)提供參數(shù)支撐。因此，產(chǎn)品的溫度場(chǎng)分析數(shù)值模型精度對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用性能存在直接影響，同時(shí)邊界條件參數(shù)的合理性及精確性是決定數(shù)值分析模型精度的重要因素。
目前，對(duì)于溫度場(chǎng)數(shù)值分析在眾多產(chǎn)品中的應(yīng)用方面已經(jīng)做了很多研究。例如，中國專利cn105160092a公開了一種適用于防護(hù)系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算的熱環(huán)境插值方法，中國專利cn104794277a提供一種計(jì)及簾線的橡膠塊溫度場(chǎng)的仿真模擬方法，中國專利cn102034006a公開了一種基于有限元法的蓄電池?zé)峁芾矸治黾皟?yōu)化方法，但是，現(xiàn)階段對(duì)于數(shù)值模型的建模方法以及模型中的關(guān)鍵參數(shù)辨識(shí)方法研究相對(duì)較少。
對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，合理的設(shè)置模型關(guān)鍵邊界條件參數(shù)是影響模型精度的重要因素，國內(nèi)專利提供的該類信息量并不充足。鑒于邊界條件參數(shù)對(duì)有限元模型精度影響的重要性，通常的方法是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷修正仿真模型，以達(dá)到精度要求，但是這個(gè)過程不僅對(duì)分析人員經(jīng)驗(yàn)要求較高，同時(shí)需要進(jìn)行大量的重復(fù)計(jì)算效率相對(duì)低下，并且在邊界條件參數(shù)變量較多的時(shí)候很難得到較為理想的精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效提高溫度場(chǎng)有限元模型精度且易于實(shí)現(xiàn)的建模及分析方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)傳熱分析有限元建模方法，包括：
第一步驟：執(zhí)行前處理工作；
第二步驟：確定分析對(duì)象有限元模型的初始邊界條件參數(shù)，并設(shè)定初始邊界條件參數(shù)的均勻設(shè)計(jì)表；
第三步驟：以均勻設(shè)計(jì)表中的每組參數(shù)為邊界建立分析對(duì)象溫度場(chǎng)計(jì)算有限元模型，計(jì)算獲得模型關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值；
第四步驟：采用均勻設(shè)計(jì)表中的參數(shù)組合以及計(jì)算獲得的關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值構(gòu)建數(shù)據(jù)樣本，通過ls-svr訓(xùn)練建立有限元模型參數(shù)數(shù)學(xué)回歸模型；
第五步驟：基于遺傳算法并采用獲得的數(shù)學(xué)回歸模型，進(jìn)行尋優(yōu)以確定模型最優(yōu)邊界條件參數(shù)，完成有限元建模。
優(yōu)選地，所述前處理工作包括：分析對(duì)象的有限元網(wǎng)格劃分、材料屬性添加、以及建立均勻設(shè)計(jì)表；
優(yōu)選地，有限元模型參數(shù)數(shù)學(xué)回歸模型為
優(yōu)選地，高斯核函數(shù)為：k(x,xi)＝exp(-||x-xi||2/(2σ2))。
本發(fā)明針對(duì)采用數(shù)值方法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析過程中的模型邊界條件參數(shù)難以合理確定、建模效率較低的問題，基于最小二乘支持向量回歸對(duì)樣本參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，結(jié)合遺傳算法，實(shí)現(xiàn)有限元模型熱邊界條件參數(shù)自適應(yīng)辨識(shí)與模型快速修正，該方法保證分析精度的同時(shí)有效提高了建模效率，并易于實(shí)現(xiàn)。
以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
附圖說明
結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中：
圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)傳熱分析有限元建模方法的流程圖。
需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)傳熱分析有限元建模方法的流程圖。
具體地如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)傳熱分析有限元建模方法包括：
第一步驟s1：執(zhí)行前處理工作；例如，所述前處理工作包括：分析對(duì)象的有限元網(wǎng)格劃分、材料屬性添加、以及建立均勻設(shè)計(jì)表；
第二步驟s2：確定分析對(duì)象有限元模型的初始邊界條件參數(shù)，并設(shè)定初始邊界條件參數(shù)的均勻設(shè)計(jì)表；
第三步驟s3：以均勻設(shè)計(jì)表中的每組參數(shù)為邊界建立分析對(duì)象溫度場(chǎng)計(jì)算有限元模型，計(jì)算獲得模型關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值；
第四步驟s4：采用均勻設(shè)計(jì)表中的參數(shù)組合以及計(jì)算獲得的關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值構(gòu)建數(shù)據(jù)樣本，通過ls-svr(最小二乘支持向量回歸)訓(xùn)練建立有限元模型參數(shù)數(shù)學(xué)回歸模型；
具體地說，建立有限元模型參數(shù)數(shù)學(xué)回歸模型包括：
假設(shè)數(shù)據(jù)樣本為t，其表達(dá)式為：
t＝{(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)}(1)
式(1)中xi∈rd表示由有限元熱邊界條件構(gòu)成的輸入樣本，i＝1,2,…,n；yi∈r是通過有限元計(jì)算獲得的關(guān)鍵點(diǎn)溫度值構(gòu)成的輸出樣本，系統(tǒng)模型回歸辨識(shí)問題可以描述為：
式(2)中j(w,ξ)為結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)；w為高維特征空間權(quán)矢量；ξi∈r為誤差變量；c為正規(guī)化參數(shù)；
將上式中的拉格朗日函數(shù)各變量求偏導(dǎo)并令其偏導(dǎo)數(shù)為零，則有
消去w和ξi可以得到下式：
根據(jù)泛函理論，存在一個(gè)核函數(shù)滿足mercer條件：
則ls-svr回歸模型可以表示為：
第五步驟s5：基于遺傳算法并采用獲得的數(shù)學(xué)回歸模型，進(jìn)行尋優(yōu)以確定模型最優(yōu)邊界條件參數(shù)，完成有限元建模。
所述的邊界條件參數(shù)是指有限元模型中不同位置的對(duì)流換熱系數(shù)與所處環(huán)境溫度，所述數(shù)學(xué)回歸模型建立與邊界條件參數(shù)尋優(yōu)過程中，有限元網(wǎng)格模型及其它模型參數(shù)全部相同。
本發(fā)明采用最小二乘支持向量回歸的方法對(duì)溫度場(chǎng)數(shù)值分析模型關(guān)鍵邊界條件參數(shù)進(jìn)行回歸處理(關(guān)鍵邊界條件參數(shù)指的是數(shù)值模型的對(duì)流換熱系數(shù)與環(huán)境溫度)，而且結(jié)合溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于遺傳算法對(duì)邊界條件參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)、辨識(shí)，有效提高了模型精度與建模效率。
下面描述本發(fā)明的具體示例。
以某型號(hào)低壓框架式斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析為例，采用本發(fā)明提出的建模流程及模型關(guān)鍵邊界條件參數(shù)辨識(shí)方法，解決復(fù)雜溫度場(chǎng)分析有限元建模效率低與精度不理想的問題。
首先，使用hypermesh前處理軟件對(duì)導(dǎo)電系統(tǒng)進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，綜合考慮網(wǎng)格對(duì)計(jì)算精度與效率的影響，將重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域網(wǎng)格密度加大，而類似于散熱長銅排僅用于散熱的區(qū)域網(wǎng)格劃分較為稀疏，獲得的斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析有限元網(wǎng)格模型，并完成材料屬性添加與結(jié)合面處理等前處理工作。
其次，確定斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)有限元模型的初始邊界條件參數(shù)，確定導(dǎo)電系統(tǒng)所處環(huán)境溫度的取值范圍，同時(shí)依據(jù)相關(guān)資料中提及空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍，給定導(dǎo)電系統(tǒng)各零部件與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)及所處空氣環(huán)境溫度的初始值，并設(shè)定初始邊界條件參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表，本發(fā)明實(shí)施例可以采用的初始邊界條件參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表的示例如表1所示。需要說明的是，表1僅僅是本發(fā)明實(shí)施例可以采用的初始邊界條件參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表的一個(gè)示例，本發(fā)明技術(shù)人員可以根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)或者采用其它具體的初始邊界條件參數(shù)均勻設(shè)計(jì)表。
表1斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)有限元模型初始邊界條件均勻設(shè)計(jì)表
再次，依據(jù)建立的斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析有限元模型，計(jì)算獲得模型各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值。
隨后，采用均勻設(shè)計(jì)表中的參數(shù)組合以及計(jì)算獲得的關(guān)鍵點(diǎn)溫度值構(gòu)建數(shù)據(jù)樣本，通過ls-svr訓(xùn)練，建立有限元模型參數(shù)數(shù)學(xué)回歸模型，如下式：
選取高斯核函數(shù)為：
k(x,xi)＝exp(-||x-xi||2/(2σ2))
從而使最小二乘支持向量回歸算法中包含兩個(gè)敏感參數(shù)：正規(guī)化參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)σ。
最后，基于遺傳算法并采用獲得的數(shù)學(xué)回歸模型，以實(shí)驗(yàn)獲得的關(guān)鍵點(diǎn)溫度值為目標(biāo)，進(jìn)行搜索、尋優(yōu)，確定有限元模型中的最優(yōu)邊界條件參數(shù)，即選定與實(shí)際物理工況相近的對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，完成有限元建模，并計(jì)算獲得導(dǎo)電系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布。提取模型中關(guān)鍵點(diǎn)的溫度計(jì)算值與實(shí)際測(cè)溫值進(jìn)行對(duì)比表明，采用本發(fā)明提供的方法，建立的斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差在5％以內(nèi)，如表2所示，驗(yàn)證了該發(fā)明的精確性與有效性。
表2斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)的溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較
總之，本發(fā)明針對(duì)采用數(shù)值方法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析過程中的模型邊界條件參數(shù)難以合理確定、建模效率較低的問題，基于最小二乘支持向量回歸對(duì)樣本參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，結(jié)合遺傳算法，實(shí)現(xiàn)有限元模型熱邊界條件參數(shù)自適應(yīng)辨識(shí)與模型快速修正，該方法保證分析精度的同時(shí)有效提高了建模效率，并易于實(shí)現(xiàn)。
上述說明示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。