技術(shù)特征:1.一種基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,包括以下步驟:
步驟一:基于能量函數(shù)變分原理得到板振動(dòng)的邊界值問題模型,再基于變量分離方法得到兩個(gè)方向的自由振動(dòng)方程;
步驟二:確定矩形板兩個(gè)方向的邊界條件,在預(yù)設(shè)定的模態(tài)階數(shù)下采用不同方向相互迭代來計(jì)算振動(dòng)頻率和振型,直至兩個(gè)方向計(jì)算得到的振動(dòng)頻率誤差在某個(gè)指定范圍時(shí)停止;
步驟三:利用最終得到的兩個(gè)方向的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行疊加得到矩形板振動(dòng)模態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,其特征在于:所述步驟一具體步驟為
建立矩形板直角坐標(biāo)系(x,y,z),分別定義x,y,z三個(gè)方向的位移多元函數(shù)u(x,y,t),v(x,y,t),w(x,y,t)如下:
u(x,y,t)=zθy(x,y,t);
v(x,y,t)=-zθx(x,y,t);
w(x,y,t)=w0(x,y,t);
其中w0(x,y,t)表示板(x,y)位置在z方向t時(shí)刻的振動(dòng)幅值,θx表示板(x,y)位置在t時(shí)刻繞x軸的旋轉(zhuǎn)角,θy表示板(x,y)位置在t時(shí)刻繞y軸的旋轉(zhuǎn)角;
定義能量函數(shù):
Π=U+T,
其中表示w(x,y,t)的對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)表示θx(x,y,t)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)表示θy(x,y,t)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)常數(shù)常數(shù)
參數(shù)定義為:E:板抗彎剛度,a:板長(zhǎng)度,b:板寬度,h:板厚度,v:泊松比,ρ:板材料密度;
對(duì)w(x,y,t),θx(x,y,t)和θy(x,y,t)進(jìn)行時(shí)空變量分離:
w(x,y,t)=W(x,y)ejωt,
其中二元變量W(x,y)表示板(x,y)位置的振動(dòng)幅值,二元變量表示板(x,y)位置繞x軸的旋轉(zhuǎn)角,二元變量表示板(x,y)位置繞y軸的旋轉(zhuǎn)角;ω:圓頻率(rad/s);
求Π的變分且令變分等于0,即
對(duì)變量W(x,y),進(jìn)行二元變量分離有:
W(x,y)=Wx(x)Wy(y)
其中Wx(x),Wy(y)分別表示W(wǎng)(x,y)在x,y方向的分離模態(tài)函數(shù),分別表示在x,y方向的分離模態(tài)函數(shù),分別表示在x,y方向的分離模態(tài)函數(shù)
假定已知y向振動(dòng)模態(tài)函數(shù)Wy,利用如下變分公式:
δW(x,y)=WyδWx
得到關(guān)于x向三個(gè)變量的常微分方程組Ⅰ:
其中
假定已知x向振動(dòng)模態(tài)函數(shù)Wx,則利用如下變分公式:
δW(x,y)=WxδWy
得到關(guān)于y向三個(gè)變量的常微分方程組Ⅱ:
其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,其特征在于:所述步驟二中,
針對(duì)x方向的邊界條件定義為三種:
簡(jiǎn)支邊界:Wx=0,Mxx=0;
夾緊邊界:Wx=0,
自由邊界:Vxz=0,Mxx=0,Mxy=0;
其中力矩
經(jīng)過計(jì)算后得到如下的計(jì)算用邊界條件:
簡(jiǎn)支邊界:Wx=0,
夾緊邊界:Wx=0,
自由邊界:
針對(duì)y方向的邊界條件定義為三種:
簡(jiǎn)支邊界:Wy=0,Myy=0;
夾緊邊界:Wy=0,
自由邊界:Vyz=0,Myy=0,Mxy=0;
其中力矩
經(jīng)過計(jì)算后得到如下的計(jì)算用邊界條件:
簡(jiǎn)支邊界:Wy=0,
夾緊邊界:Wy=0,
自由邊界:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,其特征在于:所述步驟二中,采用不同方向相互迭代計(jì)算振動(dòng)頻率和振型函數(shù)的具體步驟如下
2-1)設(shè)定y向?yàn)榈趍階模態(tài),根據(jù)y向邊界條件選擇相應(yīng)自由振動(dòng)梁的模態(tài)函數(shù)作為y向的模態(tài)函數(shù);
2-2)利用給定的y向模態(tài)函數(shù)計(jì)算得到x向的常微分方程組Ⅰ,根據(jù)常微分方程特征值的情況確定x向模態(tài)函數(shù)的形式,根據(jù)邊界條件建立以模態(tài)函數(shù)未知系數(shù)為變量的線性方程組,對(duì)線性方程組6×6系數(shù)矩陣行列式值為0的非線性方程進(jìn)行優(yōu)化求解,得到頻率值wx,再利用wx代入線性方程組進(jìn)行求解得到模態(tài)函數(shù)系數(shù),從而得到x向的模態(tài)函數(shù);
2-3)利用步驟2-2中計(jì)算得到的x向的模態(tài)函數(shù),計(jì)算得到y(tǒng)向的常微分方程組Ⅱ,根據(jù)常微分方程特征值的情況確定y向模態(tài)函數(shù)的形式,根據(jù)邊界條件建立以模態(tài)函數(shù)未知系數(shù)為變量的線性方程組,利用系數(shù)矩陣的行列式為0進(jìn)行優(yōu)化求解得到頻率值wy,再利用wy代入線性方程組進(jìn)行求解得到模態(tài)函數(shù)系數(shù),從而得到y(tǒng)向的模態(tài)函數(shù);
2-4)比較步驟2-2和2-3得到的頻率值的大小,如果滿足|wx-wy|≤ε,則退出迭代,ε為誤差值,取值為0.0001;如果不滿足條件,則將步驟2-3中得到的y向的模態(tài)函數(shù)作為給定的步驟2-2中模態(tài)函數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,其特征在于:所述步驟2-2中,基于已知y向模態(tài)函數(shù)計(jì)算得到頻率值wx和x向的模態(tài)函數(shù)方法如下:
根據(jù)常微分方程組Ⅰ,令表示微分算子d/dx,則有如下的式子:
展開式(3)中的行列式得到如下的方程:
其中ψ=wx,
d1=a3+b3+c3-b1c1-a1c2;
d2=a3b3+a3c3+b3c3+a2b1c2+a1b2c1-a3b1c1-a2b2-a1b3c2;
d3=a3b3c3-a2b2c3;
將試驗(yàn)解ψ=eλ代入方程(4),由于表示微分算子,可產(chǎn)生如下的方程:
λ6+d1λ4+d2λ2+d3=0 (5)
令μ=λ2,則
μ3+d1μ2+d2μ+d3=0 (6)
令判別式Δ=18d1d2d3-4d13d3+d12d22-4d23-27d32,
定義wx(x)與函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)關(guān)系數(shù)值δ1,δ2,δ3,與函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)關(guān)系數(shù)值γ1,γ2,γ3如下
其中i=1,2,3,k為調(diào)節(jié)系數(shù),為展開式用到的正弦函數(shù)頻率值,根據(jù)展開式不同的項(xiàng)來進(jìn)行取整數(shù)值,m=1,2,…,∞;ri為根據(jù)式(6)的解計(jì)算得到的值;根據(jù)判別式的符號(hào)以及式(6)中解μ1,μ2,μ3的情形得到如下10種x向振動(dòng)模態(tài)函數(shù)形式:
(1)判別式小于0,μ1>0:實(shí)根,μ2,μ3:共軛復(fù)根
r2,r3為共軛復(fù)數(shù),Re表示實(shí)部,Im表示虛部;
wx(x)=-δ1B2cosh(r1x)-δ1B1sinh(r1x)-δ2B4cosh(Re(r2)x)-δ2B3sinh(Re(r2)x)
-δ3B6cos(Im(r2)x)-δ3B5sin(Im(r2)x)
(2)判別式小于0,μ1<0:實(shí)根,μ2,μ3:共軛復(fù)根
令r2,r3為共軛復(fù)數(shù),Re表示實(shí)部,Im表示虛部;
wx(x)=-δ1B2cos(r1x)-δ1B1sin(r1x)-δ2B4cosh(Re(r2)x)-δ2B3sinh(Re(r2)x)
-δ3B6cos(Im(r2)x)-δ3B5sin(Im(r2)x)
(3)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
令
(4)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(5)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(6)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(7)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(8)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(9)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(10)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
將得到的模態(tài)函數(shù)表達(dá)式代入邊界條件,整理以后得到如下形式的方程組:
其中表示線性方程組系數(shù)矩陣,A11~A66表示對(duì)應(yīng)位置的系數(shù)值;令采用matlab中的非線性優(yōu)化函數(shù)fsolve進(jìn)行求解得到ωx,再將ωx代入式(7)中得到線性方程組,對(duì)線性方程組求解得到B1,B2,…,B6的值,從而得到x向的振動(dòng)模態(tài)函數(shù)的表達(dá)式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于譜有限元的矩形板振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法,其特征在于:所述步驟2-3中基于已知x向模態(tài)函數(shù)計(jì)算得到頻率值wy和y向模態(tài)函數(shù)方法如下:
根據(jù)常微分方程組Ⅱ,令表示微分算子d/dy,則有如下的式子:
展開式(8)中的行列式得到如下的方程:
其中
j1=e3+f3+g3-e1f2-g1f1;
j2=g3f3+e3g3+e3f3+e1f1g2+e2f2g1-e3g1f1-e2g2
j3=e3g3f3-e2g2f3-e1g3f2;
將試驗(yàn)解ψ=eλ代入方程(9),由于表示微分算子,則產(chǎn)生如下的方程:
λ6+j1λ4+j2λ2+j3=0 (10)
令μ=λ2,則
μ3+j1μ2+j2μ+j3=0 (11)
令判別式Δ=18j1j2j3-4j13j3+j12j22-4j23-27j32,
定義wy(y)與函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)關(guān)系數(shù)值仍表示為δ1,δ2,δ3,與函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)關(guān)系數(shù)值仍表示為γ1,γ2,γ3如下
其中i=1,2,3,k為調(diào)節(jié)系數(shù),為展開式用到的正弦函數(shù)頻率值,根據(jù)展開式不同的項(xiàng)來進(jìn)行取整數(shù)值,m=1,2,…,∞;ri為根據(jù)式(11)的解計(jì)算得到的值;根據(jù)判別式的符號(hào)以及式(11)中解μ1,μ2,μ3的情形得到如下10種y向振動(dòng)模態(tài)函數(shù)形式:
(11)判別式小于0,μ1>0:實(shí)根,μ2,μ3:共軛復(fù)根
r2,r3為共軛復(fù)數(shù),Re表示實(shí)部,Im表示虛部;
wy(y)=-δ1B2cosh(r1y)-δ1B1sinh(r1y)-δ2B4cosh(Re(r2)y)-δ2B3sinh(Re(r2)y)
-δ3B6cos(Im(r2)y)-δ3B5sin(Im(r2)y)
(12)判別式小于0,μ1<0:實(shí)根,μ2,μ3:共軛復(fù)根
令r2,r3為共軛復(fù)數(shù),Re表示實(shí)部,Im表示虛部;
wy(y)=-δ1B2cos(r1y)-δ1B1sin(r1y)-δ2B4cosh(Re(r2)y)-δ2B3sinh(Re(r2)y)
-δ3B6cos(Im(r2)y)-δ3B5sin(Im(r2)y)
(13)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
令
(14)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(15)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(16)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(17)判別式大于0,μ1>0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(18)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2>0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
(19)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3>0:實(shí)根
(20)判別式大于0,μ1<0:實(shí)根,μ2<0:實(shí)根,μ3<0:實(shí)根
將得到的表達(dá)式代入邊界條件,整理以后得到如下形式的方程組:
令系數(shù)矩陣的行列式采用matlab中的非線性優(yōu)化函數(shù)fsolve進(jìn)行求解得到ωy,再將ωy代入方程(12)中得到線性方程組,對(duì)線性方程組求解得到B1,B2,…,B6的值,從而得到y(tǒng)向的振動(dòng)模態(tài)函數(shù)的表達(dá)式。