CN113705038A - 一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法及设备，所述方法包括：设计周期开孔超弹性结构、设计复杂加载方式、编写ABAQUS有限元计算处理文件、设置加载组合、根据确定好的加载组合修改计算文件并调用ABAQUS进行屈曲计算、提取屈曲分析一阶和二阶特征值并绘制加载组合和相对差值以及绝对差值曲线、判断是否存在极小值、确定是否存在不同模态之间的转变。本发明能够避免了主观通过屈曲变形图进行模态判断导致的错误，提高了对不同模态转变进行判断的正确性。
Description
技术领域
本发明涉及周期开孔超弹性材料和计算力学技术领域，具体地指一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法及设备。
背景技术
周期开孔结构是指对二维或三维结构进行周期性开孔所得到的新结构。超弹性材料或软材料制成的周期开孔结构称为超弹性周期开孔结构，且在不同的刺激下会发生显著的可逆变形，包括机械载荷、膨胀、温度和电信号的变化等。其中超弹性材料是一种特殊的弹性材料，具有应力应变关系高度非线性、弹性变形范围大等典型的超弹性力学行为。周期开孔超弹性体众多独特的性能为周期开孔超弹性体在众多不同领域中的广泛应用奠定了基础。
近几年来，基于周期开孔超弹性体在达到屈曲荷载时图形会出现不同形式的转变且结构变形、变形可逆的特性，研究者将周期开孔超弹性体的不同屈曲变形方式应用于声子晶体研究、能量吸收研究、波的传递等方面的研究。
但是，目前针对周期开孔超弹性体屈曲模态的判断通常处于通过屈曲变形图进行判断，属于直观、主观的判断方式，该方式对于区分变形方式不明显的屈曲模态存在一定的误判的情况。如果想获得准确的不同屈曲模态的判断，就需要依赖于客观的数据以避免错误判断。
发明内容
针对上述背景技术存在的不足之处，本发明提供一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法及设备，能够避免了主观通过屈曲变形图进行模态判断导致的错误，提高了对不同模态转变进行判断的正确性。
为实现上述目的，本发明所设计的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特殊之处在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：设计不同属性的周期开孔超弹性体基底；
步骤S102：对不同属性的周期开孔超弹性体基底进行复杂加载方式的设计；
步骤S103：编写ABAQUS有限元计算处理文件对经过复杂加载方式设计的不同属性的周期开孔超弹性体基底进行屈曲计算；
步骤S104：设置加载组合方式；
步骤S105：根据确定的加载组合方式修改计算文件并调用ABAQUS进行屈曲计算；
步骤S106：提取屈曲分析一阶和二阶特征值绘制一阶特征值和二阶特征值的相对差值和绝对差值曲线；
步骤S107：判断相对差值和绝对差值曲线上是否存在极小值，是则判断为存在不同模态转变；否则判断为不存在不同模态的转变，流程结束。
优选地，所述步骤S101中周期开孔超弹性体基底的属性包括开孔大小、形状、排布方式、宽度、高度、厚度、形心距。
优选地，所述步骤S102中复杂加载方式的设计包括拉伸、压缩、剪切、弯曲各项不同加载方式以及相互之间的组合。
优选地，所述步骤S103中假定ABAQUS计算的各项参数为变量，生成可用于有限元软件ABAQUS进行屈曲计算结构数据的提取和后处理文件，文件包括：提取计算结果种的特征值数据和数据处理、绘制加载组合和特征值相对差值和绝对差值曲线。
优选地，所述步骤S106中相对差值和绝对差值曲线的绘制方法为：将特征值绝对差值和相对差值作为纵坐标，将位移组合对应的变量作为横坐标绘制位移-绝对差值曲线和位移-相对差值曲线，所述特征值绝对差值为二阶特征值减一阶特征值，所述相对差值为绝对差值除以一阶特征值。
优选地，在步骤S107之后重复步骤S104～S107，得到不同加载组合方式下模型结构变形的分布范围以及临界区间。
本发明还提出一种设备，其特殊之处在于，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法。
本发明另外提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特殊之处在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了利用屈曲特征值判断是否存在不同的屈曲模态转变的方法，避免了通过屈曲变形图判断是否为不同模态导致的误差，同时给通过屈曲变形图不易确定是否为不同模态的模型提供了更加精确的判断方式，改变了传统主观通过屈曲变形图进行模态判断可能造成的错误，提高了对不同模态转变进行判断的正确性。
附图说明
图1为本发明一种利用屈曲特征值判断不同屈曲模态转变的方法的流程图；
图2为实施例中用于举例说明的4种周期开孔超弹性体设计示意图；
图3为实施例中两种加载组合方式设计示意图；
图4为实施例中受力组合方式设计示意图；
图5为实施例中四种结构的结构变形方式汇总图；
图6为实施例中模型4.4.4.4在双轴拉压组合状态下的相互转变关系示意图；
图7为实施例中双轴拉压组合下的所有模型的变形分布范围示意图；
图8为实施例中单轴拉压/剪切组合下的所有模型的变形分布范围示意图；
图9为实施例中双轴拉压组合加载时位移组合比例-特征值差值曲线示意图；
图10实施例中为单轴拉压/剪切组合加载时位移组合比例-特征值差值曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员显而易见的，在本申请所描述的实施例包含的范围可以有更多的实施例和实现方案。
在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将不同屈曲模态的判断方式呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法不依赖于本发明所述的特定顺序的程度上，该方法不应限于在特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其他的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法的权利要求不应被限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序的变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
如图1所示，本发明提出的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：设计不同属性的周期开孔超弹性体基底：
周期开孔超弹性体的设计包括但不限于改变开孔大小、形状、排布方式、宽度、高度、厚度、形心距等方式，本实施例通过改变周期开孔超弹性体的孔的排布方式设计四种周期开孔超弹性体说明利用屈曲特征值判断不同屈曲模态转变的方法。四种周期开孔超弹性体如图2所示，其中(a)，(b)，(c)，(d)根据开孔排布方式分别命名为模型4.4.4.4，3.3.3.3.3.3，3.6.3.6和3.4.6.4。四种结构尺寸及圆心距如下表1所示：
表1四种结构尺寸及圆心距数据(mm)
| 宽 | 高 | 厚 | 圆心距 | |
| 4.4.4.4 | 80.0 | 80.0 | 35.0 | 10 |
| 3.3.3.3.3.3 | 86.6 | 75.0 | 35.0 | 10.8 |
| 3.6.3.6 | 93.3 | 97.0 | 35.0 | 9.3 |
| 3.4.6.4 | 132.0 | 137.1 | 55.0 | 9.7 |
步骤S102：对不同属性的周期开孔超弹性体基底进行复杂加载方式的设计：
复杂加载方式的设计包括拉伸、压缩、剪切、弯曲等不同加载方式的相互组合，以及其他更为复杂的加载方式，本实施例通过设计双轴拉伸/压缩组合加载方式和单轴拉压/剪切组合加载方式说明数据库的创建方式。本实施例中采用的两种复杂加载方式如图3所示。两种加载组合方式都是由两个不同的变量所组成，分别是图3(A)的水平拉伸或压缩加载和竖向拉伸或压缩加载以及图3(B)的竖向拉伸或压缩加载和水平方向剪切加载。
步骤S103：编写ABAQUS有限元计算处理文件对经过复杂加载方式设计的不同属性的周期开孔超弹性体基底进行屈曲计算：
假定ABAQUS计算的各项参数为变量，生成可用于有限元软件ABAQUS进行屈曲计算的input文件。得到各模型的前5阶屈曲特征值及前5阶屈曲模态图。
生成对计算结构数据的提取和后处理文件，文件包括：提取计算结果种的特征值数据和数据处理、绘制加载组合和特征值相对差值和绝对差值曲线。
步骤S104：设置加载组合方式：
在本步骤中，通过图3所示的两种加载方式，可以将图中两个变量分别称之为X变量和Y变量，继而和平面坐标系的X轴和Y轴相结合，从而达到方便调控加载组合比例的目的。图3(A)中以水平方向的拉伸或压缩加载为X轴，竖向方向的拉伸或压缩加载为Y轴；图3(B)中以拉伸或压缩加载为X轴，剪切加载为Y轴。同时规定以拉伸加载为坐标轴的正轴，压缩加载为负轴，顺势针剪切加载为正轴，逆时针为负轴。
将两种加载组合方式下的各种可能受力或位移组合比例可以用图4所示的坐标轴表示。由于屈曲分析的结果跟实际加载的力和位移量的大小无关，所以可只考察由和围成的正方形的四条直边(如图4虚线所示)上的加载组合。图4中实心红点表示本实施例计算的部分加载组合，空心点表示单轴加载，已进行过相关研究，并非本实施例重点介绍内容，O为坐标原点(0,0)。同时任何结构在双轴受拉时都不会存在屈曲现象，所以图5(A)的第一象限不发生屈曲现象，故本实施例不予考虑。图4(B)对应的加载组合的顺时针剪切加载和逆时针剪切加载为完全对称的，所以可只考虑顺时针剪切加载，即只考虑第一象限和第二象限。
步骤S105：根据确定的加载组合方式修改计算文件并调用ABAQUS进行屈曲计算：
确定ABAQUS计算的各项参数，并输入到步骤S103所编写的处理文件中，继而调取ABAQUS进行屈曲计算。
步骤S106：提取屈曲分析一阶和二阶特征值绘制一阶特征值和二阶特征值的相对差值和绝对差值曲线：
确定模型和作业名称，在完成步骤S105后修改步骤S103的后处理文件进行数据提取和处理。
其中：特征值绝对差值(二阶特征值减一阶特征值)和相对差值(绝对差值除以一阶特征值)作为纵坐标，位移组合对应的变量作为横坐标绘制位移-绝对差值曲线和位移-相对差值曲线。
步骤S107：判断相对差值和绝对差值曲线上是否存在极小值：
本步骤可直接通过绘制的曲线直观地观察是否出现明显的极小值区域，如果存在极小值点，即执行步骤S108，为存在不同模态转变；如果不存在极小值点，即执行步骤S109，为不存在不同模态的转变。
步骤S108：输出判断结果为存在不同模态转变。
步骤S109：输出判断结果为不存在不同模态的转变。
步骤S105～步骤S109的实施过程以图2所示的四个模型作为实例进行说明。
将图2中四个模型至于图3和图4所描述的加载方式和加载组合下进行大量的组合计算，得到如图5所示的所有不同的屈曲变形图。
通过图5可以发现部分模态之间存在着互相转换的关系。以模型4.4.4.4为例进行说明。将模型4.4.4.4在双轴拉压组合状态下的相互转变关系汇总于图6中。
其中：箭头表示顺时针旋转90°。图6(a)表示模态1和模态2在顺时针旋转90°时的关系示意图。图6(b)表示模态3和模态4在顺时针旋转90°的关系图和模态4和模态5在水平翻转下的关系图。
本发明将出现互相转变的变形方式的临界区间用X'或X”表示，无相对转变关系的变形临界坐标区间用X表示(X＝A,B,C,D)。
本发明将出现互相转变的变形方式的临界区间用X'或X”表示，无相对转变关系的变形临界坐标区间用X表示(X＝A,B,C,D)。
本发明利用编程代码进行了大量的、细化的组合计算，得到结构不同变形方式的分布范围以及临界区间。将双轴拉压组合下的所有模型的变形分布范围汇总于图7中，对应临界区间汇总于表2中。单轴拉压/剪切的变形分布汇总于图8中，对应临界区间汇总于表3中。
表2模型双轴拉压组合下变形转变临界区间
表3单轴拉压/剪切组合下模型变形转变临界区间
| 4.4.4.4 | 3.3.3.3.3.3 | 3.6.3.6 | 3.4.6.4 | |
| A | (-0.0465±0.0005,1) | (-0.0535±0.0005,1) | (-0.0065±0.0005,1) | (-0.0825±0.0005,1) |
| A' | (-0.2065±0.0005,1) | -- | -- | -- |
| A” | (-1,0.6055±0.0005) | -- | -- | -- |
| B | -- | (-0.9985±0.0005,1) | (-0.7045±0.0005,1) | (-1,0.645±0.005) |
| B' | -- | -- | -- | (-1,0.3955±0.0005) |
其中：图7和图8中(a)表示模型4.4.4.4；(b)表示模型3.3.3.3.3.3；(c)表示模型3.6.3.6；(d)表示模型3.4.6.4。“--”表示无数据。
通过步骤S106计算出特征值绝对差值(二阶特征值减一阶特征值)和相对差值(绝对差值除以一阶特征值)作为纵坐标，位移组合对应的变量作为横坐标绘制位移-绝对差值曲线和位移-相对差值曲线。
其中：双轴拉压组合加载时位移组合比例-特征值差值曲线如图9所示，(a)表示模型4.4.4.4；(a1)和(a2)表示(a)的细部图；(b)表示模型3.3.3.3.3.3；(c)表示模型3.6.3.6；(d)表示模型3.4.6.4。
单轴拉压/剪切加载时位移组合比例-特征值差值曲线如图10所示，其中，(a)表示模型4.4.4.4；(b)表示模型3.3.3.3.3.3；(c)表示模型3.6.3.6；(d)表示模型3.4.6.4。
通过图9和图10，可以判断出是否存在极小值，极小值对应的即不同模态转变的临界区间。
图9(a1)和图9(a2)中出现的极小值B和C区间，临界区间B对应模型4.4.4.4的变形1和变形3两种不同模态的转变，临界区间C对应模型4.4.4.4的变形2和变形4两种不同模态的转变。图9(b)中出现的极小值B区间，临界区间B对应模型3.3.3.3.3.3的变形1和变形3两种不同模态的转变。图9(c)中出现的极小值B和C区间，临界区间B对应模型3.6.3.6的变形5和变形6两种不同模态的转变，临界区间C对应模型3.6.3.6的变形1和变形4两种不同模态的转变。图9(d)中出现的极小值B区间，临界区间B对应模型3.4.6.4的变形2和变形3两种不同模态的转变。
图10(a)和10(b)中不存在极小值区间，所以不存在不同屈曲模态的转变。图10(c)中出现的极小值B区间，临界区间B对应模型3.6.3.6的变形1和变形2两种不同模态的转变。图10(d)中出现的极小值B区间，临界区间B对应模型3.4.6.4的变形1和变形3两种不同模态的转变。
上述所有临界坐标区间对应的坐标数值如表2所示。
本申请实施例利用屈曲特征值判断是否存在不同的屈曲模态转变的方法，避免了通过屈曲变形图判断是否为不同模态导致的误差，同时给通过屈曲变形图不易确定是否为不同模态的模型提供了更加精确的判断方式。
在本实施例中，上述的代码可以存储的存储介质包括但不限于：U盘、只读存储器(RIM,Read-Only Memory)、移动硬盘、磁盘或者光碟等各种可以存储程序代码的介质。
本发明还提出一种设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的方法。
本领域的研究人员可以理解，上文中所公示的数据库建立方法的全部或部分步骤可以任意改变顺序，数据库的使用方法可以选取附录中的全部或部分数据进行任意使用。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤S101：设计不同属性的周期开孔超弹性体基底；
步骤S102：对不同属性的周期开孔超弹性体基底进行复杂加载方式的设计；
步骤S103：编写ABAQUS有限元计算处理文件对经过复杂加载方式设计的不同属性的周期开孔超弹性体基底进行屈曲计算；
步骤S104：设置加载组合方式；
步骤S105：根据确定的加载组合方式修改计算文件并调用ABAQUS进行屈曲计算；
步骤S106：提取屈曲分析一阶和二阶特征值绘制一阶特征值和二阶特征值的相对差值和绝对差值曲线；
步骤S107：判断相对差值和绝对差值曲线上是否存在极小值，是则判断为存在不同模态转变；否则判断为不存在不同模态的转变，流程结束。
2.根据权利要求1所述的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：所述步骤S101中周期开孔超弹性体基底的属性包括开孔大小、形状、排布方式、宽度、高度、厚度、形心距。
3.根据权利要求2所述的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：所述步骤S102中复杂加载方式的设计包括拉伸、压缩、剪切、弯曲各项不同加载方式以及相互之间的组合。
4.根据权利要求1所述的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：所述步骤S103中假定ABAQUS计算的各项参数为变量，生成可用于有限元软件ABAQUS进行屈曲计算结构数据的提取和后处理文件，文件包括：提取计算结果种的特征值数据和数据处理、绘制加载组合和特征值相对差值和绝对差值曲线。
5.根据权利要求1所述的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：所述步骤S106中相对差值和绝对差值曲线的绘制方法为：将特征值绝对差值和相对差值作为纵坐标，将位移组合对应的变量作为横坐标绘制位移-绝对差值曲线和位移-相对差值曲线，所述特征值绝对差值为二阶特征值减一阶特征值，所述相对差值为绝对差值除以一阶特征值。
6.根据权利要求1所述的一种利用屈曲特征值判断不同模态转变的方法，其特征在于：在步骤S107之后重复步骤S104～S107，得到不同加载组合方式下模型结构变形的分布范围以及临界区间。
7.一种设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至6中任一所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-07-29 CN CN202110863819.0A patent/CN113705038B/zh active Active
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| CN114370474B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-12-05 | 中国舰船研究设计中心 | 一种用于结构的变频声子晶体抑振装置 |
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|---|---|
| CN113705038B (zh) | 2024-01-05 |
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