[發明專利]基于功率流法與統計能量法的結構中頻振動計算方法

有效

• 申請號: 201811257371.2
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109635312B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 張波;董晶瑾;呂秉琳
• 申請（專利權）人: 中船動力研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明提供了一種基于功率流法與統計能量法的結構中頻振動計算方法，首先分別建立結構的功率流模型和統計能量模型。對功率流模型進行有限元粗網格劃分并形成相應的質量和剛度矩陣，基于功率流理論建立結構功率流平衡方程，在非相關激勵載荷下形成結構能量影響系數矩陣。依據統計能量模型，建立結構耦合損耗因子矩陣，用能量影響系數矩陣非對角線元素替換耦合損耗因子，形成修正后的統計能量耦合損耗因子矩陣。最后根據修正后的耦合損耗因子矩陣，建立結構新的統計能量平衡方程，利用統計能量法計算結構中頻振動響應。本發明不需要精細的網格，計算所需資源少，計算速度快，能夠克服統計能量法子結構間弱耦合的假設，成本低。

技術領域

本發明屬于工程力學和振動工程技術領域，具體地，涉及一種基于功率流法與統計能量法的結構中頻振動計算方法。

背景技術

結構中頻段的聲振響應計算一直以來是工程上的一個難題，結構在中頻域既存在確定性子結構又存在統計性子結構，其振動表現出“低模態、高模態”并存的混合振動特征。在低頻段，有限元法能夠計算出結構的全局模態，通過幅值和相位來表達結構的低頻聲振響應，并取得了很好的計算精度。有限元法在進行結構振動響應計算時，為保證計算精度，需要保證一個波長內6-10個單元，隨著分析頻率的增加，所需要的有限元單元數增多，不可避免地增加了計算成本。同時，有限元法僅能對低階有限數量的模態進行識別，隨著頻率的增加，結構模態越來越密集，有限元法不能對其進行清晰的辨識。針對結構的高頻段的聲振響應計算，統計能量法應運而生，并得到了廣泛的應用。與有限元法不同的是，統計能量法是從時間、頻域及空間平均的統計性角度預測各子系統的能量傳遞及能量響應，有效的解決了結構高頻段的聲振響應計算。盡管如此，統計能量法在應用上則有諸多的假設性條件，比如子結構間的耦合為弱耦合，子結構有足夠多的共振模態及足夠高的模態重疊系數等，這些假設一定程度上限制了統計能量法在結構中頻聲振響應計算中的應用。為解決有限元及統計能量法的不足，Shorter P.J及Langley R.S等[1-3]基于波動耦合理論提出了FE-SEA混合法，將結構分為長波(有限元)子結構和短波(統計能量)子結構，兩個子結構間通過混合連接進行耦合，實現了結構耦合系統中頻段的聲振響應計算與分析。FE-SEA混合法在結構的中頻聲振預示中取得了較好的效果，但其也有一些現存的問題值得繼續研究，比如如何量化的區分有限元子結構與統計能量子結構，如何解決子系統間耦合界面的不確定性等。

目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報道，也尚未收集到國內外類似的資料。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足，本發明的目的是提供一種基于功率流法與統計能量法的結構中頻振動計算方法，該方法使得統計能量法適用于中頻區的振動響應計算，將高頻統計能量方法向中頻拓展，將統計能量方法與功率流理論進行結合以求解結構中頻振動響應。

本發明是通過以下技術方案實現的。

一種基于功率流法與統計能量法的結構中頻振動計算方法，包括如下步驟：

建立結構的功率流模型和統計能量模型；

利用功率流法，對功率流模型建立結構的功率流平衡方程，形成結構的能量影響系數矩陣；

依據統計能量模型，建立結構的統計能量耦合損耗因子矩陣，利用能量影響系數矩陣非對角線元素替換統計能量耦合損耗因子矩陣的耦合損耗因子，形成修正后的統計能量耦合損耗因子矩陣；

根據修正后的統計能量耦合損耗因子矩陣，建立結構新的統計能量平衡方程，利用統計能量法，通過新的統計能量平衡方程計算結構中頻振動響應。

優選地，利用功率流法，對功率流模型建立結構的功率流平衡方程，形成結構的能量影響系數矩陣，包括如下步驟：

對功率流模型進行有限元粗網格劃分，并形成相應的質量矩陣和剛度矩陣，基于功率流法建立結構的功率流平衡方程，在非相關激勵載荷下形成結構的能量影響系數矩陣。