CN115935762A - 一种工程结构模态振型分析方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工程结构模态振型分析方法、装置、设备及介质，涉及工程结构振动技术领域，以解决传统对具有接触面的工程结构仿真精度差且不能识别出高阶模态对应的固有频率及振型。一种工程结构模态振型分析方法，包括：建立目标结构的线性有限元模型并进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；基于目标阶次对应的线性有限元模型各节点位移，对非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；基于各目标阶次对应的振动数据，得到各目标阶次的固有频率和模态振型。本发明提供的工程结构模态振型分析方法用于提高非线性结构的仿真精度并识别出非线性结构各目标阶次的固有频率和模态振型。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构振动技术领域，尤其涉及一种工程结构模态振型分析方法、装置、设备及介质。
背景技术
振动环境是工程结构工作过程中必定承受的工作环境之一。现有通常采用有限元分析和仿锤击法等方法对工程结构进行振动分析。由于工程结构中含有大量的连接件，各连接件间含有大量的接触界面，在振动过程中，接触界面之间互相摩擦，会带来强烈的非线性效应，通过有限元分析对具有接触面的工程结构的抗振特性进行仿真精度较差；而锤击法中采用的锤击激励中包含很宽的频率范围，高阶响应会淹没于低阶响应，同时，由于求解载荷步的限制，适用于分析低阶响应的步长不足以分别高阶特征，因此无法识别出高阶固有频率对应的工程结构的模态振型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工程结构模态振型分析方法、装置、设备及介质，用于解决传统方法对具有接触面的工程结构的仿真精度差且不能识别出高阶模态对应的固有频率及振型。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提出一种工程结构模态振型分析方法，包括：
建立目标结构的线性有限元模型；
对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
与现有技术相比，本发明提供的一种工程结构模态振型分析方法中，非线性动力学有限元模型由于考虑了工程结构的接触面振动的非线性情况，因此可以对具有接触面的工程结构进行真实仿真；基于目标阶次临近线性有限元模型振动对应的各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析得到各目标阶次对应振动数据，由于目标结构的线性有限元模型与非线性动力学有限元模型结构相似，因此对线性有限元模型进行分析得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移与非线性动力学有限元模型的振型相似，将其作为非线性动力学有限元模型的初始激励进行仿真，能够激发出目标结构在目标阶次的真实模态振型；而且每次只分析一个目标阶次对应的模态振型，相当于只施加了一个频率相近的激励，基于各阶目标阶次对应的振动数据，计算各目标阶次的固有频率和固有频率对应的模态振型时可以根据当前模态需求对计算步长进行取值，不需要区分阶次的高低，可以准确识别出各阶次目标结构的固有频率和模态振型。本发明将非线性引入连接件的模态分析，获得的固有频率及模态振型更接近实际情况。
第二方面，本发明还提供一种工程结构模态振型分析装置，包括：
线性有限元模型建立模块，用于建立目标结构的线性有限元模型；
节点位移提取模块，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
非线性动力学有限元模型转换模块，用于将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
动力学分析模块，用于基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
固有频率和模态振型确定模块，用于基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
与现有技术相比，本发明提供的工程结构模态振型分析装置的有益效果与上述技术方案所述工程结构模态振型分析方法的有益效果相同，此处不做赘述。
第三方面，本发明还提供一种工程结构模态振型分析设备，包括：
通信单元/通信接口，用于获取建立的目标结构的线性有限元模型；
处理单元/处理器，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
与现有技术相比，本发明提供的工程结构模态振型分析设备的有益效果与上述技术方案所述工程结构模态振型分析方法的有益效果相同，此处不做赘述。
第四方面，本发明还提供一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现上述工程结构模态振型分析方法。
与现有技术相比，本发明提供的计算机存储介质的有益效果与上述技术方案所述工程结构模态振型分析方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种工程结构模态振型分析方法流程图；
图2为本发明提供的连接试件结构示意图；
图3为本发明提供的一阶对应的施加初始位移后非线性动力学有限元模型中各节点的位移随时间变化曲线图；
图4为本发明提供的滤波后采样点位移频谱曲线图；
图5为本发明提供的连接试件的一阶模态振型图；
图6为本发明提供的连接试件的七阶模态振型；
图7为本发明提供的一种工程结构模态振型分析应用框图；
图8为本发明提供的一种工程结构模态振型分析装置的结构示意图；
图9为本发明提供的一种工程结构模态振型分析设备的结构示意图。
附图标记：
1-第一L型板，2-第二L型板。
实施方式
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在介绍本发明实施例之前首先对本发明实施例中涉及到的相关名词作如下释义：
有限元模型是运用有限元分析方法时候建立的模型，是一组仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。
基于线性假设，现阶段有限元分析软件已应用与结构的模态、谐响应及随机振动分析中，然而工程结构中包括大量连接件，其内部包含大量的接界面，采用有限元分析会严重制约结构抗振特性的仿真精度；显示动力学分析方法利用差分格式对动力学控制方程进行离散，不存在迭代和收敛问题，适用于非线性结构的分析，而现有利用显式动力学分析的方法，例如仿锤击法，不能识别出工程结构高阶模态对应的固有频率和振型。高阶模态为频率超过一阶模态5倍的模态。
为解决上述问题，本发明提供一种工程结构模态振型分析方法、装置、设备及介质，采用显式动力学分析，将接触面的非线性影响引入结构固有频率及模态计算，可以对具有接触面的工程结构的振动特性进行真实仿真，接下来结合附图进行说明。
图1为本发明提供的一种工程结构模态振型分析方法流程图，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101：建立目标结构的线性有限元模型。
目标结构为工程结构，包括多个连接件，各连接件之间至少包括一个接触面，以图2中的连接试件为例进行说明，如图2所示，该连接试件包括两个L形的连接件：第一L形板1和第二L形板2，第一L形板1和第二L形板2之间接触，形成接触面，两个接触面相互滑动有摩擦。可以通过3D Studio Max，UG，PROE等三维软件建立目标结构的几何模型，也可以直接获取历史的目标结构的几何模型。
将目标结构的几何模型传输到有限元分析软件中，根据所述目标结构的结构特点，确定所述几何模型网格划分所需的面单元以及实体单元类型；面单元用于目标结构中各连接件的接触面的网格划分；
具体的，将目标结构中各连接件的接触面划分为面单元，其他结构划分为实体单元，以图2为例，第一L形板1和第二L形板2划分为实体单元，第一L形板1和第二L形板2接触的平面划分为面单元。
然后在软件中将各连接件间的接触面的接触类型设置为绑定，即接触面不分离，不相对滑动。
根据定义好的面单元以及实体单元对几何模型进行有限元网格划分，并添加边界条件约束，得到目标结构的线性有限元模型。
有限元分析软件有ABAQUS、ANSYS、MSC等。
步骤102：对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移。
具体的，先对得到的目标结构的线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次的固有频率和模态振型；
然后基于得到的模态振型，提取并存储目标阶次对应的模态振型下线性有限元模型中各节点的位移。
目标阶次可以为一个或多个所需求的阶次。示例性的，若目标阶次为一阶、二阶和三阶，对目标结构的线性有限元模型进行有限元分析后，得到一阶的固有频率和模态振型；二阶的固有频率和模态振型；三阶的固有频率和模态振型；基于模态振型，提取并存储一阶模态振型下线性有限元模型中各节点位移，二阶模态振型下线性有限元模型中各节点位移以及三阶模态振型下线性有限元模型中各节点位移。
步骤103：将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型。
具体的，将线性有限元模型中的实体单元替换为减缩积分格式单元；并在线性有限元模型中各连接件间的接触面上建立接触对，得到非线性动力学有限元模型。此时的接触面间滑动且有摩擦。其中接触对是指两个在变形时不能穿透彼此的边界选择，接触对为可以接触的部件定义边界，接触算法约束目标边界，使它们不穿透源边界。将接触面的接触类型从绑定转换为接触对形式，在对目标结构振动过程进行仿真时，可以对接触面之间互相摩擦，带来强烈的非线性效应进行真实仿真，仿真精度更准确；实体单元为隐式单元，减缩积分格式单元为显式单元，将隐式单元转化为显式单元即将线性有限元模型转换为动力学模型，即可应用动力学方程的差分格式对目标结构的振动过程进行分析。
步骤104：基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据。
在基于目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对非线性动力学有限元模型进行动力学分析之前需要对每个目标阶次对应的各节点位移相对最大位移进行归一化处理；
由于通过有限元分析后得到的各模态振型下线性有限元模型的各节点位移数值相对较大，因此需要各节点位移相对最大位移进行归一处理，尽可能缩小位移数值。
作为一种可选的方式，在非线性动力学有限元模型中以初始约束的方式施加一个目标阶次对应的线性有限元模型中各节点归一化后的位移，并进行动力学分析，得到当前目标阶次对应的振动数据；基于当前目标阶次对应的振动数据，得到当前目标阶次的固有频率和模态振型，然后继续下一个目标阶次的分析，即在非线性动力学有限元模型中施加下一个目标阶次对应的线性有限元模型中各节点归一化后的位移，并进行动力学分析，得到下一个目标阶次对应的振动数据，以此类推，直到遍历各目标阶次，得到各目标阶次对应的振动数据。
可以采用PANDA-Impact 、LS-DYNA等动力学分析软件进行动力学分析。其中，振动数据为各采样点的位移随时间变化情况，采样点是目标阶次对应的非线性动力学有限元模型中的所有节点的实时位置，可以结合图3进行说明，图3为一阶对应的施加初始位移后非线性动力学有限元模型中各节点的位移随时间变化曲线图，如图3所示为部分采样点：第一采样点、第二采样点、第三采样点被施加初始位移后的位移随时间变化情况，在时间为零时各节点的垂向位移即施加的目标阶次对应的归一化后的位移。其中，第一采样点施加的位移为mm，对第二采样点施加的位移为mm，在第三采样点施加的位移为mm。
对非线性动力学有限元模型施加目标阶次对应线性有限元模型中各节点的位移作为非线性动力学有限元模型各节点的初始位移，可以激发出目标结构在目标阶次的真实模态振型。
步骤105：基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
作为一种可选的方式，所述基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型，包括：
对所述各目标阶次对应的振动数据进行快速傅里叶变换并进行分析，得到峰值频率；基于所述峰值频率对目标阶次对应的振动数据进行滤波，得到目标频率振动数据；
对所述目标频率振动数据进行快速傅里叶变换，得到目标频率频谱；
基于所述目标频率频谱确定目标阶次的固有频率；
示例性的，对图3中的振动数据进行快速傅里叶变换得到各节点位移的频谱图，对该频谱图进行分析可知在频率
f=940.6Hz处存在局部峰值，提取该频率得到峰值频率即目标频率，按照预设带宽对该峰值频率进行滤波得到目标频率振动数据即单一频率窄带的位移变化数据。对单一频率窄带位移变化数据再次进行快速傅里叶变换，得到如图4所示的滤波后采样点位移频谱曲线图，对该频谱曲线图进行分析可知该频谱曲线为单峰值，则峰值频率即为目标阶次为一阶的固有频率。
基于所述目标频率振动数据确定各采样点的相位角和振动幅值，得到所述目标阶次的固有频率对应的模态振型。
具体的，选择一个目标阶次的非线性动力学有限元模型的边界上的节点为采样点的参考点，其相对于自身的相位角为0°。
根据公式（1）计算目标频率振动数据中各采样点相对于参考点的相位角，如公式（1）所示：
（1）
其中，为各节点的位移值，为参考点的节点位移。
基于所述目标频率振动数据计算各采样点的振动幅值，并对所述振动幅值进行归一化处理；具体的，将目标频率振动数据的均方值表征各采样点的振动幅值。
基于各采样点归一化后的振动幅值差异和各采样点的相位角差异，根据公式（2）计算得到目标结构振动过程中在参考点位移处于峰值时其他各采样点的位移，
如公式（2）所示：
（2）
其中，为以目标频率振动振动时第个节点的位移，为第i个节点的幅值。
得到目标阶次的固有频率和各采样点的位移即得到目标阶次固有频率下的模态振型。图5为连接试件的一阶模态振型图，如图5所示，虚线为目标结构静止时的模态振型，实线为目标结构一阶固有频率下振动时的模态振型。对一个目标阶次进行数据处理得到该目标阶次的固有频率和模态振型之后，继续下一个目标阶次的数据处理，以此类推，直到遍历所有目标阶次，即可识别出所有目标阶次的固有频率和模态振型。表1给出了现有基于线性有限元模型识别出的一阶到八阶的固有频率和本发明基于非线性动力学有限元模型识别出的一阶到八阶的固有频率对比情况，如表1所示，由于接触边界对整体刚度的弱化作用，本工程结构模态振型分析方法识别出的各阶固有频率值小于基于线性有限元模型的方法，表明本工程结构模态振型分析方法识别出的固有频率更精确，通过表1可知基于线性有限元模型的方法没有识别出七阶情况下的固有频率和模态振型，而本方法由于考虑了连接试件的接触非线性影响，可以识别出七阶的模态振型为L板YZ平面对扭，可结合图6进行说明，如图6为本发明识别出的连接试件的七阶模态振型，为接触面发生相对转动条件下，两L形板的相对扭转振动，其中虚线为连接试件静止时的模态振型，虚线为七阶固有频率振动下的模态振型。
表1 线性和非线性方法的前8阶固有频率和模态振型识别结果对比表
实际应用中，结合图7进行说明，如图7所示，首先建立目标结构的线性化有限元模型，基于线性化有限元模型得到各目标阶次的固有频率和模态振型，提取模态振型下线性有限元模型的各节点位移并将其作为初始位移，然后将线性有限元模型中接触面的绑定接触改为有摩擦的滑动接触，同时将隐式单元转化为显式单元生成非线性动力学有限元模型，将初始位移施加到对应目标阶次下的非线性动力学有限元模型中，采集各节点的位移随时间的振动情况，得到采样点位移变化曲线，对其进行滤波处理，得到目标频段内采样点位移变化曲线，基于该目标频段内采样点位移变化曲线得到目标阶次的固有频率和模态振型。
本方法在目标阶次对应的非线性动力学有限元模型的模态附近构造了一个相似振型，作为初始摄动，激发出结构在目标阶次的真实模态振型，这样，每次只分析一个模态，相当于只施加了一个频率相近的激励，计算步长可以按照当前模态需求取值，不区分高低阶。
上述主要从方法应用的角度对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明实施例可以根据上述方法示例进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图8示出了本发明实施例提供的一种工程结构模态振型分析装置的结构示意图。如图8所示，该工程结构模态振型分析装置包括：
线性有限元模型建立模块801，用于建立目标结构的线性有限元模型；
节点位移提取模块802，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
非线性动力学有限元模型转换模块803，用于将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
动力学分析模块804，用于基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
固有频率和模态振型确定模块805，用于基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
可选的，所述非线性动力学有限元模型转换模块803，具体可以用于：
将所述线性有限元模型中的实体单元替换为减缩积分格式单元；并在所述线性有限元模型中各连接件的接触面上建立接触对，得到非线性动力学有限元模型。
可选的，所述动力学分析模块804具体可以用于：
对每个目标阶次对应的各节点位移相对最大位移进行归一化处理；
在所述非线性动力学有限元模型中以初始约束的方式施加一个目标阶次对应的归一化处理后的位移，并进行动力学分析，得到当前目标阶次对应的振动数据；
在所述非线性动力学有限元模型中施加下一个目标阶次对应的归一化处理后的位移，并进行动力学分析，得到下一个目标阶次对应的振动数据，以此类推，得到各目标阶次对应的振动数据。
可选的，固有频率和模态振型确定模块805具体可以包括：
峰值频率确定单元，用于对所述各目标阶次对应的振动数据进行快速傅里叶变换并进行分析，得到峰值频率；
目标频率振动数据确定单元，基于所述峰值频率对目标阶次对应的振动数据进行滤波，得到目标频率振动数据；
快速傅里叶变换单元，用于对所述目标频率振动数据进行快速傅里叶变换，得到目标频率频谱；
目标阶次的固有频率确定单元，用于基于所述目标频率频谱确定目标阶次的固有频率；
模态振型确定单元，用于基于所述目标频率振动数据确定各采样点的相位角和振动幅值，得到目标阶次的固有频率对应的模态振型。
可选的，所述模态振型确定单元具体可以用于：
确定采样点的参考点；
计算所述目标频率振动数据中各采样点相对于所述参考点的相位角；
基于所述目标频率振动数据计算各采样点的振动幅值，并对所述振动幅值进行归一化处理；
基于各采样点归一化后的振动幅值和各采样点的相位角，得到各目标阶次固有频率对应的模态振型。
可选的，所述线性有限元模型建立模块801具体可以用于：
获取目标结构的几何模型；
根据所述目标结构的结构特点，确定所述几何模型划分有限元网格所需的面单元以及实体单元类型；所述面单元用来划分所述目标结构中各连接件的接触面；
将所述接触面的接触类型设置为绑定；
根据所述面单元以及所述实体单元对所述几何模型进行有限元网格划分，并添加边界条件约束，得到目标结构的线性有限元模型。
可选的，所述节点位移提取模块802具体可以用于：
对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次的固有频率和模态振型；
基于所述模态振型，提取并存储目标阶次对应的所述线性有限元模型中各节点位移。
在采用对应集成单元的情况下，图9示出本发明提供的一种工程结构模态振型分析设备的结构示意图，如图9所示，包括：
通信单元/通信接口，用于获取建立的目标结构的线性有限元模型；
处理单元/处理器，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
在一些可能的实现方式中，上述工程结构模态振型分析设备还可以包括存储模块，用于存储基站的程序代码和数据。
其中，处理模块可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器（CentralProcessing Unit，CPU），通用处理器，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC），现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。通信模块可以是收发器、收发电路或通信接口等。存储模块可以是存储器。
如图9所示，上述处理器可以是一个通用中央处理器（central processing unit，CPU），微处理器，专用集成电路（application-specific integrated circuit，ASIC），或一个或多个用于控制本发明方案程序执行的集成电路。上述通信接口可以为一个或多个。通信接口可使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信。
如图9所示，上述终端设备还可以包括通信线路。通信线路可包括一通路，在上述组件之间传送信息。
可选的，如图9所示，该终端设备还可以包括存储器。存储器用于存储执行本发明方案的计算机执行指令，并由处理器来控制执行。处理器用于执行存储器中存储的计算机执行指令，从而实现本发明实施例提供的方法。
如图9所示，存储器可以是只读存储器（read-only memory，ROM）或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器（random access memory，RAM）或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM）、只读光盘（compactdisc read-only memory，CD-ROM）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过通信线路与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。
可选的，本发明实施例中的计算机执行指令也可以称之为应用程序代码，本发明实施例对此不作具体限定。
在具体实现中，作为一种实施例，如图9所示，处理器可以包括一个或多个CPU，如图9中的CPU0和CPU1。
在具体实现中，作为一种实施例，如图9所示，终端设备可以包括多个处理器，如图9中的处理器。这些处理器中的每一个可以是一个单核处理器，也可以是一个多核处理器。
一方面，提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有指令，当指令被运行时，实现：
建立目标结构的线性有限元模型；
对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、终端、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘（digital video disc，DVD）；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘（solid state drive，SSD）。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种工程结构模态振型分析方法，其特征在于，包括：
建立目标结构的线性有限元模型；
对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
2.根据权利要求1所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型，包括：
将所述线性有限元模型中的实体单元替换为减缩积分格式单元；并在所述线性有限元模型中各连接件的接触面上建立接触对，得到非线性动力学有限元模型。
3.根据权利要求1所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据，包括：
对每个目标阶次对应的各节点位移相对最大位移进行归一化处理；
在所述非线性动力学有限元模型中以初始约束的方式施加一个目标阶次对应的归一化处理后的位移，并进行动力学分析，得到当前目标阶次对应的振动数据；
在所述非线性动力学有限元模型中施加下一个目标阶次对应的归一化处理后的位移，并进行动力学分析，得到下一个目标阶次对应的振动数据，以此类推，得到各目标阶次对应的振动数据。
4.根据权利要求1所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型，包括：
对所述各目标阶次对应的振动数据进行快速傅里叶变换并进行分析，得到峰值频率；
基于所述峰值频率对目标阶次对应的振动数据进行滤波，得到目标频率振动数据；
对所述目标频率振动数据进行快速傅里叶变换，得到目标频率频谱；
基于所述目标频率频谱确定目标阶次的固有频率；
基于所述目标频率振动数据确定各采样点的相位角和振动幅值，得到目标阶次的固有频率对应的模态振型。
5.根据权利要求4所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述基于所述目标频率振动数据确定各采样点的相位角和振动幅值，得到目标阶次的固有频率对应的模态振型，包括：
确定采样点的参考点；
计算所述目标频率振动数据中各采样点相对于所述参考点的相位角；
基于所述目标频率振动数据计算各采样点的振动幅值，并对所述振动幅值进行归一化处理；
基于各采样点归一化后的振动幅值和各采样点的相位角，得到各目标阶次固有频率对应的模态振型。
6.根据权利要求1所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述建立目标结构的线性有限元模型，包括：
获取目标结构的几何模型；
根据所述目标结构的结构特点，确定所述几何模型划分有限元网格所需的面单元以及实体单元类型；所述面单元用来划分所述目标结构中各连接件的接触面；
将所述接触面的接触类型设置为绑定；
根据所述面单元以及所述实体单元对所述几何模型进行有限元网格划分，并添加边界条件约束，得到目标结构的线性有限元模型。
7.根据权利要求1所述工程结构模态振型分析方法，其特征在于，所述对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，包括：
对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次的固有频率和模态振型；
基于所述模态振型，提取并存储目标阶次对应的所述线性有限元模型中各节点位移。
8.一种工程结构模态振型分析装置，其特征在于，包括：
线性有限元模型建立模块，用于建立目标结构的线性有限元模型；
节点位移提取模块，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
非线性动力学有限元模型转换模块，用于将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
动力学分析模块，用于基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
固有频率和模态振型确定模块，用于基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
9.一种工程结构模态振型分析设备，其特征在于，包括：
通信单元/通信接口，用于获取建立的目标结构的线性有限元模型；
处理单元/处理器，用于对所述线性有限元模型进行有限元分析，得到目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移；
将所述线性有限元模型转换为非线性动力学有限元模型；
基于所述目标阶次对应的线性有限元模型中各节点位移，对所述非线性动力学有限元模型进行动力学分析，得到各目标阶次对应的振动数据；
基于各目标阶次对应的振动数据，计算得到各目标阶次的固有频率和所述固有频率对应的模态振型。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现权利要求1~7任一项所述工程结构模态振型分析方法。
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