一种基于表面位移的结构接触状态检测方法及系统

本发明涉及结构接触状态检测技术，尤其是涉及一种基于表面位移的结构接触状态检测方法及系统。

背景技术：

1、在半导体制造、精密装配、精密夹持和薄板结构支撑等工程场景中，结构与支撑件、夹持件或定位件之间的实际接触状态会直接影响结构的受力分布、变形响应以及最终的装配精度。例如，在薄板类结构的夹持过程中，由于加工误差、装配误差、支撑高度差异、表面粗糙度以及外部载荷变化等因素的影响，理论设计的接触区域与实际接触区域往往并不完全一致，局部区域可能出现未接触、部分脱离接触或接触刚度不足等情况。若无法准确获得结构底部或夹持界面的实际接触状态，将难以对结构变形进行准确预测，也会影响后续的误差补偿、夹持优化和结构性能评估。

2、现有技术中，针对结构接触状态的获取通常主要依赖直接接触测量方法、有限元接触分析方法以及基于结构响应的数值反演方法。

3、首先，直接接触测量方法通常通过在接触界面布置压力传感器、薄膜传感器或其他检测元件，获取局部接触压力或接触力信息。该类方法能够反映部分接触区域的受力状态，但其应用通常受限于传感器尺寸、安装方式和布置位置。对于高精度夹持结构而言，传感器的引入可能改变原有接触边界条件，影响到真实的接触状态。同时，由于传感器测点数量和安装位置有限，特别是当实际接触区域呈现点阵式分布时，有限测点难以完整表征接触区域的位置、范围和边界形态。因此，直接接触测量方法难以满足复杂离散夹持区域接触状态识别的需求。

4、其次，有限元接触分析是研究结构接触问题的常用数值方法。该方法通常需要预先建立结构与支撑件之间的接触对，并通过罚函数法、拉格朗日乘子法或增广拉格朗日法等方式求解接触约束问题。有限元接触分析能够模拟给定接触条件下的结构响应，但其通常依赖较为准确的几何模型、接触对定义、支撑高度、边界条件及材料参数。在实际夹持结构中，接触区域的位置、数量、范围和形貌往往是未知的，并且会随支撑高度误差、装配状态和外部载荷变化而发生改变。当真实接触状态未知时，仅依靠传统正向接触分析难以准确确定实际接触区域。此外，接触非线性会增加计算复杂度和收敛难度，不利于快速检测和工程应用。

5、再者，基于结构响应信息的数值反演方法为不可测区域状态识别提供了新的思路。该类方法通常利用外部可测响应，例如位移、应变或振动信息，建立结构响应与内部状态、材料参数或边界条件之间的映射关系，从而实现对未知参数的反演识别。现有研究中，神经网络方法、物理信息神经网络方法、有限元逆向求解方法以及拓扑优化方法等均被用于结构缺陷识别、材料参数识别和边界条件识别。

6、纯数据驱动方法通常依赖大量训练样本，其识别精度和泛化能力受训练数据覆盖范围影响较大。当夹持构型、载荷形式或接触状态发生变化时，模型可能难以保持稳定的识别精度。物理信息神经网络方法通过在数据驱动模型中引入力学方程约束，能够在一定程度上降低对训练数据规模的依赖。然而，当对于复杂离散夹持接触问题时，由于接触区域的位置、数量和形状均不确定，该类方法仍难以直接实现未知离散接触区域的自动识别。同时，此类方法通常对全场响应数据具有较高依赖，而实际工程中往往只能获得有限区域或表面局部的位移、面形信息。

7、有限元逆向方法能够基于有限测点响应建立未知参数识别模型，在一定程度上减少对大量训练数据的依赖。然而，现有有限元反演方法通常需要预先假定待识别边界的位置、接触区域范围或参数分布形式，更多关注已知区域上的边界刚度、接触力或材料参数识别。对于实际夹持结构而言，当接触区域本身未知时，结构边界条件与局部约束状态会随接触区域的变化而动态变化。基于固定边界和已知接触区域假设的传统反演框架难以直接适用。

8、由于接触区域的位置、数量、范围和形貌均可能未知，该问题进一步表现为未知区域的空间分布识别问题。如何在不预先给定接触区域的情况下，有效描述并更新接触区域的空间分布，是实现复杂离散接触状态检测的关键。

9、拓扑优化中水平集法和密度基方法均具有一定的几何边界描述能力，为该类问题提供了可借鉴的技术路线。水平集法在几何边界刻画方面具有优势，但其识别结果通常对初始场分布较为敏感。当实际接触区域无法预先估计时，难以给出合适的初始边界。相比之下，密度基方法对初始场依赖相对较弱，在边界未知、区域形貌复杂或空间分布不确定的识别问题中具有较强适应性。然而，现有基于拓扑表达的反演方法多用于材料分布、损伤区域或结构几何重构，对于夹持接触状态这一类由局部法向约束引起的复杂离散接触问题，仍缺乏统一的力学表征与识别方法。

10、综上所述，现有技术在结构接触状态检测中，特别是复杂离散夹持区域识别方面，存在以下不足：

11、第一，直接实验检测和传感器测量方法受接触界面空间、结构封闭性和测量干扰影响较大，难以在不改变原有接触状态的条件下获取真实接触区域。

12、第二，接触力或压力测量方法通常依赖有限测点，难以完整获得复杂离散接触区域的位置、范围和边界形貌。

13、第三，传统有限元接触分析通常需要预先给定接触对、支撑几何和接触条件，当实际接触状态未知时，难以通过正向分析确定真实接触区域。

14、第四，现有基于结构响应的反演方法多建立在已知边界位置或预设参数分布的基础上，难以处理接触区域数量、位置、形状和分布均未知的复杂离散夹持问题。

15、第五，数据驱动反演方法通常对训练样本和数据覆盖范围要求较高，而实际夹持结构中可获得的数据有限，模型泛化能力和工程适用性仍存在不足。

16、第六，现有方法尚未充分建立离散接触状态、局部法向约束和空间区域分布之间的统一力学描述，难以基于表面面形或表面位移响应实现未知接触状态的自动识别。

17、经过检索中国专利公开号cn121072013a公开了一种基于虚拟铺层的大厚壁实体结构铺层表面位移场反演方法，涉及大厚壁实体结构位移监测与反演技术领域，其步骤包括：在大厚壁实体结构外表面嵌设几何贴附且力学隔离的虚拟铺层；在虚拟铺层中性面单侧布置测点采集实体表面应变作为虚拟铺层膜应变；构造含膜应变拟合项及弯曲、剪切应变正则化项的加权最小二乘泛函；对泛函变分解算得到虚拟铺层节点位移；将虚拟铺层平移位移映射至实体结构对应节点，实现位移场反演，该现有专利解决了单侧布点下大厚壁实体结构高精度位移反演且不干扰结构受力的问题，提升了反演数值稳定性，适配实体单元模型，适用于压力容器等结构，可用于结构健康评估。该现有专利采用虚拟铺层作为位移反演的计算媒介，未涉及接触约束的等效处理，同时采用逆有限元方法求解节点位移，未涉及接触刚度场的重构，也未涉及密度基设计变量和拓扑优化技术。

18、因此如何在接触界面不可直接观测且接触区域位置、数量、形状均未知的情况下，根据结构表面位移响应自动识别未知离散接触区域的空间分布，从而为精密夹持结构的故障诊断、夹持优化和运行状态评估提供技术支撑，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面位移的结构接触状态检测方法及系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于表面位移的结构接触状态检测方法，该方法包括：

4、步骤s1，获取被夹持结构的表面位移或面形响应信息，作为目标响应；

5、步骤s2，建立所述被夹持结构的有限元分析模型；

6、步骤s3，构建接触界面的robin边界等效模型，其中，在所述被夹持结构可能发生接触的界面区域设置等效接触刚度场，所述等效接触刚度场用于表征局部接触约束；

7、步骤s4，引入密度基设计变量以描述所述接触状态，所述密度基设计变量用于表征可能接触区域的局部接触状态；通过simp非线性插值函数将所述密度基设计变量与等效接触刚度建立关联，将接触状态识别问题转化为设计变量和界面刚度的空间分布重构问题；

8、步骤s5，构造基于表面位移误差的目标函数，所述目标函数用于衡量有限元模型计算得到的表面位移与所述步骤s1的目标响应之间的差异；

9、步骤s6，基于伴随灵敏度法计算所述目标函数对所述密度基设计变量的灵敏度，并进行优化迭代以更新所述密度基设计变量，使计算位移逼近所述步骤s1的目标响应；

10、步骤s7，根据所述等效接触刚度场或所述密度基设计变量场确定接触区域。

11、作为优选的技术方案，所述步骤s1中，通过实验测量、在线检测或高精度仿真方式获取被夹持结构表面的表面位移或面形响应信息，并将其作为目标响应。

12、作为优选的技术方案，所述步骤s3中，构建接触界面的robin边界等效模型具体为：

13、在被夹持结构可能发生接触的界面区域设置等效接触刚度场，将局部接触约束表示为空间变化的弹簧支撑或robin边界条件，其中接触刚度大于设定阈值的区域对应实际接触区域，接触刚度小于设定阈值的区域对应非接触区域或脱离接触区域；

14、所述接触刚度表示为：

15、

16、其中

ks为界面位置处的等效接触刚度，

es为等效弹簧层的弹性模量，

ds为等效弹簧层厚度；

17、在法向方向上，robin 边界条件表示为：

18、

19、其中，σ(

u) 为结构应力，n 为边界外法向量，

u 为结构位移，

u0 为初始位移。

20、作为优选的技术方案，所述步骤s4中，密度基设计变量具体为：

21、定义密度基设计变量

θ的取值范围为0至1，其中，所述密度基设计变量接近1时对应接触区域，接近0时对应非接触区域；

22、通过simp非线性插值函数将所述密度基设计变量与等效接触刚度建立关联，具体为：

23、

24、其中，

es为等效弹簧层的弹性模量，

emax表示接触区域对应的最大等效弹性模量，emin表示非接触区域对应的最小等效弹性模量，为投影后的设计变量，q为惩罚因子。

25、作为优选的技术方案，所述步骤s5中，构造基于表面位移误差的目标函数具体为：

26、采用最小二乘法构建目标函数，

27、

28、其中，j 为目标函数，γm 为测量表面，u 为识别模型计算得到的位移，um 为测量或参考得到的垂向位移。

29、作为优选的技术方案，所述步骤s6中，优化迭代具体：

30、对所述密度基设计变量进行空间过滤处理以抑制数值噪声；

31、对过滤后的设计变量进行投影处理，驱使所述设计变量向0或1靠近，以获得清晰的接触与非接触边界。

32、作为优选的技术方案，所述步骤s7中，根据所述等效接触刚度场或所述密度基设计变量场确定接触区域，包括：

33、将所述等效接触刚度场或所述密度基设计变量场中大于所述设定阈值的区域判定为接触区域，将小于所述阈值的区域判定为非接触区域。

34、根据本发明的第二方面，提供了一种基于表面位移的结构接触状态检测系统，包括：

35、响应获取模块，用于获取被夹持结构的表面位移或面形响应信息，作为目标响应；

36、模型建立模块，用于建立所述被夹持结构的有限元分析模型；

37、等效模型构建模块，用于构建接触界面的robin边界等效模型，其中，在所述被夹持结构可能发生接触的界面区域设置等效接触刚度场，所述等效接触刚度场用于表征局部接触约束；

38、设计变量模块，用于引入密度基设计变量以描述所述接触状态，所述密度基设计变量用于表征可能接触区域的局部接触状态；

39、关联模块，用于通过simp非线性插值函数将所述密度基设计变量与等效接触刚度建立关联，将接触状态识别问题转化为设计变量和界面刚度的空间分布重构问题；

40、目标函数模块，用于构造基于表面位移误差的目标函数，所述目标函数用于衡量有限元模型计算得到的表面位移与所述目标响应之间的差异；

41、优化模块，用于基于伴随灵敏度法计算所述目标函数对所述密度基设计变量的灵敏度，并进行优化迭代以更新所述密度基设计变量，使计算位移逼近所述目标响应；

42、区域确定模块，用于根据所述等效接触刚度场或所述密度基设计变量场确定接触区域。

43、根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

44、根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

45、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

46、1）本发明通过构建接触界面的robin边界等效模型并在可能发生接触的界面区域设置等效接触刚度场，成功将离散且未知的接触状态问题转化为连续的设计变量和界面刚度空间分布重构问题；

47、2）本发明引入密度基设计变量并借助simp非线性插值函数，实现了对接触区域局部接触状态的精细化表征，使得接触识别不再依赖于预先定义的接触对或复杂的离散接触搜索算法，从而有效克服了传统正向数值模拟因接触参数未知而无法应用、以及传统直接测量因受限于安装空间而难以获取连续分布信息的缺陷；

48、3）本发明利用伴随灵敏度法结合优化迭代策略，仅需通过少量表面位移或面形响应数据作为目标响应，即可高效反演计算出等效接触刚度场的空间分布，显著提升了复杂结构在离散接触区域完全未知情况下的状态识别效率与稳定性；

49、4）本发明通过设置空间过滤与投影处理步骤，该方法有效抑制了数值噪声，驱使设计变量向极值收敛，从而获得了边界清晰的接触与非接触区域，避免了传统方法中接触边界模糊的问题；

50、5）本发明基于设定的阈值对等效接触刚度场或密度基设计变量场进行判定，能够精准地重构出接触位置、数量及形貌，实现了对结构接触状态的自动化、高精度检测；

51、6）本发明不仅提升了结构健康监测的准确性和鲁棒性，还极大地简化了检测流程，降低了对传感器布置密度的要求，具有广泛的应用前景和显著的工程实用价值。