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OptiStruct:试验和仿真模型对标—(坐标)模态置信因子

OptiStruct:试验和仿真模型对标—(坐标)模态置信因子
📅 发布时间:2026/7/7 11:19:08

上几期,我们对NVH后处理中数据分析及优化进行了详细的介绍。任何有效的数据分析的前提都需要我们得到确实可信的模型及仿真/试验数据。

在对系统进行振动数值仿真时,往往首先需要与试验进行模型对标以获取可信的数值模型(modal updating相关),然而不同的试件(损伤,参数随机性等),不同的试验仪器/环境都可能在数据中带来一定的随机/系统误差,高频噪声、伪极点等等,这给我们的对标工作带来了一定的难度。

今天就来介绍下利用(坐标)模态置信因子进行模型对标即振型相关性的分析。

首先介绍下模态置信因子和坐标模态置信因子 ⬇

1MAC

MAC(Modal Assurance Criterion模态置信因子)是模型对标中应用最广泛的一个工具。

其中 φi 为某阶固有频率对应的振型。MAC表示振型相关图中最小二乘偏差,对于振型差异较大情况下,MAC值较敏感,但是对于振型只有微小差异时,则MAC值相对不敏感。最开始用于试验中,在不同激励点激励情况下,振型的对比。

可用于以下情况振型对比:

▶ 不同试验激励位置下,试验振型的对比

▶ 仿真与试验振型的对比

▶ 用于相同源数据通过不同模态参数识别算法得到的振型的对比

▶ 改变结构后,模态振型的对比

当MAC 接近 0时,可能有以下原因:

1) 系统非稳态

2) 系统非线性

3) 数据含噪声

4) 模态参数提取错误

5) 振型线性无关

如果排除1-4,MAC趋近于0表示两组振型线性无关。

如果MAC值接近1,那么可能有以下原因:

1) 测点/响应点不足

2) 振型测量中含未知力的作用

3) 振型结构为相干噪声

4) 振型相关

同样,如果排除1-3,那么MAC趋近于1表示两组振型线性相关。一般如果超过0.9则表示相关性高。实际结构与仿真的对比中,由于可能存在装配误差、试验件存在损伤等,在应用这个界限时,并不是绝对的。

需要注意的是MAC值代表是的振型的相关性/相似性而不是正交性,所以MAC矩阵也不是单位矩阵。(对于模态而言,实模态关于M、K是正交的,而复模态是关于A,B矩阵正交的。)在模态对标的基础上,可以对于测试和ODS的结果可以通过MAC计算其相似性。

对于单一数据集计算MAC值(AutoMAC)可以用于判断测点是否足够。而不同数据间计算MAC值(CrossMAC),例如可以对试验和仿真间计算MAC值可以用于模型对标。

如果是试验复模态,那么上述表达式为

在模型对标时,我们总是先对标振型,后看频率。

2坐标模态置信因子

COMAC 值表示的是结构自由度的相关性,即两组振型中某个节点的相关性。可以分析在MAC 值计算中是由于哪些节点导致相关性较差。

那我们来看看MODEL CORRELATION的一些具体功能的实现吧。⬇⬇⬇

1 load

首先需要我们提供两个模型(reference & correlation),可以是试验-仿真/ 仿真- 仿真/ 试验-试验数据。2017.3HyperView中支持以下的数据类型:

两个模型的选择可以遵循以下的规则:

reference模型:

节点较少的模型,比如测试模型等

correlation模型:

节点较多的模型,比如CAE仿真模型等

2 Transformation—调整模型姿态

如下图中,将两个模型加载并显示在界面中,但是注意到其空间姿态不一致。

当模型姿态不一致时(模型姿态不一致是指空间中需要进行除平移外,旋转等操作得到相对应模型),此时需要进行Transformation。应当注意的是,如果两个模型是坐标可以通过平移变化得到,则无需进行Transformation。

Transformation通过选择模型上对应的三个点进行模型调整,界面如下。

激活N1 N2 N3按钮,分别在图形界面中选择节点。

Transform 后:

加粗的红色线框模型为reference模型,网格模型为correction模型,两者有较好的一致性。

3 node pair—搜寻两组模型间的匹配节点

对于每一个reference模型的节点在其tolerance误差范围内寻找可以匹配的correlation的节点,并可进行csv表格输出。

可以在图形界面中显示mapped pair。

在容差范围内显示匹配节点对。

绿色数字为reference模型节点id,蓝色数字为匹配对id号。

这里还可以显示unmapped node以及node contour(以颜色显示容差,如下图,蓝色默认表示误差接近零)

4计算MAC——确定振型相关性

软件在给定的起始和截止频率范围内自动搜寻匹配振型及计算MAC/COMAC,并对符合MAC阈值振型对输出在表格中,如下。

可以3D bar 图(及2D 投影图)显示对应振型的MAC系数,如下:

同时可输出上述MAC矩阵振型所对应的频率的相对误差百分比(FREQ DIFF),如下

在对小车模型进行MAC值计算时,发现reference 和 correlation 模型对应28.71Hz和29.75Hz的振型都有较高的相关性,且频率相近。

分别对比这28.71Hz和29.75Hz的两个模型的振型,发现对于线框模型两者是非常接近的,而对于网格模型在后窗玻璃和Roof处稍有差异,两个MAC值较高,应该是由于线框模型测点数量不足引起的以及对于小的振型差异MAC值较不敏感。

针对这个问题,我们可以结合COMAC和PMAC(下面会有相应介绍)再次进行解析。

5 计算COMAC—确定振型对的节点相关性

对于每一个振型对,又可以对比振型的每一个节点间的坐标相关系数,即COMAC,如下图

如此可以得到每一个振型中匹配较好的节点对以及较差的节点对,从而可以通过对某些伪节点对的剔除来调节MAC值。

同样,可以以柱状图模式显示COMAC值

以上介绍的是整体模型的振型对比,如果模型中具有多个子结构,那么可以按子结构进行mac匹配,这样有利于将问题定位到子结构,此时我们需要在导入模型后勾选以下选项:

此时可选择子结构/子模型,计算局部结构MAC值(PMAC)。

对子系统进行MAC值分解后,我们可以看到10-11以及11-10即reference 和 correlation 模型对应28.71Hz和29.75Hz的振型

振型MAC值较高是由于Roof子系统中匹配较好,但是在body等子结构中MAC值匹配都较差,所有从上图也可帮助认定,10-10以及11-11是振型匹配对,而非10-11或11-10是由于测点数量不足引起的误判。

通过COMAC去掉局部的Roof的MAC 贡献量

在MAC计算中选择Modified MAC,

得到修正后的MAC为:

此时MAC值较大的只有对角线上的元素,即这些元素对应振型可以认为是相互匹配的。

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