[發明專利]基于模型凝聚的圓錐-圓柱殼動力學分析與設計方法

在審

• 申請號: 202211701126.2
• 申請日: 2022-12-28
• 公開（公告）號: CN115859740A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 孫禹晗;宋智廣
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/16;G06F30/15;G06F30/17;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張換男

基于模型凝聚的圓錐?圓柱殼動力學分析與設計方法，為解決傳統的有限元法在處理潛艇的圓錐?圓柱形殼體結構時有限元模型自由度數極大，導致結構動力學分析和設計優化的計算效率過低的問題。將潛艇的圓錐?圓柱殼體結構分為兩個子結構，用有限元法對兩個子結構建模；求解子結構的固定界面主模態和約束模態，將二者組合為第一次坐標變換矩陣縮聚建模模型，得到縮聚模型；集成兩個縮聚模型，并利用子結構間的界面協調條件獲取第二次坐標變換矩陣，用第二次坐標變換矩陣處理集成模型，得到圓錐?圓柱殼體結構的縮聚模型；計算模態空間下圓錐?圓柱殼的縮聚模型的頻響曲線和時域響應曲線，再轉換到物理空間下，得到物理空間下頻響曲線和時域響應曲線。

技術領域

本發明涉及一種動力學分析方法，具體涉及一種利用Craig-Bampton法對圓錐-圓柱殼的有限元模型進行縮聚的動力學分析方法，屬于計算力學領域。

背景技術

現如今，圓錐-圓柱殼體結構在機械、航空、船舶、土木和動力工程等各個工程領域都有廣泛的應用。例如，在潛艇研究中，通常將潛艇中部簡化為圓柱殼，艉部簡化為截頂圓錐殼，整個潛艇被抽象為錐-柱組合殼體結構。另外，在航空航天領域研究中，飛機、火箭等飛行器前部也大多被簡化為錐-柱組合殼體結構。圓錐-圓柱殼體結構在服役過程中必然面臨嚴酷的外部環境，由此導致的振動與噪聲問題十分突出，因此，進行圓錐-圓柱殼體結構動力學分析和設計優化的意義重大。

工程中一般采用有限元法對圓錐-圓柱殼體結構進行動力學分析和設計優化。傳統的有限元法在處理圓錐-圓柱殼這類復雜結構時為了保證精度，通常需要較多的有限單元數，進而使圓錐-圓柱殼的傳統有限元模型自由度數極大，這會極大的限制結構動力學分析和設計優化的計算效率，這在工程領域中是不可接受的。

發明內容

本發明為了解決傳統的有限元法在處理潛艇的圓錐-圓柱形殼體結構時為了保證精度，通常需要較多的有限單元數，使圓錐-圓柱殼體結構的傳統有限元模型自由度數極大，導致結構動力學分析和設計優化的計算效率過低的問題，進而提出了一種基于模型凝聚的圓錐-圓柱殼動力學分析與設計方法。

它包括以下步驟：

S1、確定潛艇的圓錐-圓柱殼體結構的基本尺寸和材料屬性，并將圓錐-圓柱殼體結構分為兩個子結構，即子結構一為圓錐殼，子結構二為圓柱殼，采用有限元法分別對兩個子結構進行建模，得到子結構有限元模型；

S2、求解子結構的固定界面主模態和約束模態，并將固定界面主模態和約束模態組合為第一次坐標變換矩陣，利用第一次坐標變換矩陣對子結構有限元模型進行縮聚，得到縮聚子結構有限元模型；

S3、集成兩個縮聚子結構有限元模型，得到集成有限元模型，并利用子結構間的界面協調條件獲取第二次坐標變換矩陣，使用第二次坐標變換矩陣消除集成有限元模型的重復界面自由度，得到圓錐-圓柱殼體結構的縮聚有限元模型；

S4、計算模態空間下的圓錐-圓柱殼的縮聚有限元模型的頻響曲線和時域響應曲線，將模態空間下的頻響曲線和時域響應曲線轉換到物理空間下，得到物理空間下的頻響曲線和時域響應曲線，完成潛艇的圓錐-圓柱殼體結構的動力學分析。

進一步地，S1中圓錐-圓柱殼體結構的基本尺寸包括圓錐殼長度、半徑、厚度、錐角；圓柱殼長度、半徑、厚度。

進一步地，S1中圓錐-圓柱殼體結構的材料屬性包括材料的彈性模量、密度、泊松比。

進一步地，S2中求解子結構的固定界面主模態和約束模態，并將固定界面主模態和約束模態組合為第一次坐標變換矩陣，利用第一次坐標變換矩陣對子結構有限元模型進行縮聚，得到縮聚子結構有限元模型，具體過程為：

第一次坐標變換矩陣Φ_c為：

其中，表示子結構的固定界面主模態，L表示低階分量，/表示子結構的約束模態，E為單位矩陣；