一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法，包括，首先獲取該損傷程度下缺失胞元的數(shù)目；再利用軟件隨機產(chǎn)生缺失胞元的位置坐標(biāo)，同時將點陣夾層板模型中對應(yīng)位置坐標(biāo)處的胞元刪除，再對點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到點陣夾層板模型的固有頻率；再利用固有頻率計算點陣夾層板模型在指定固有頻率下的損傷評價結(jié)果；最后設(shè)置多組點陣夾層板模型的隨機損傷工況，并重復(fù)上述過程以得到每一隨機損傷工況的損傷評價結(jié)果，最終得到隨機損傷對點陣夾層板模型指定固有頻率的平均影響。本發(fā)明能夠獲得隨機損傷在不同條件下對點陣夾層板動力學(xué)特性的影響規(guī)律，為后期點陣夾層板的損傷識別提供思路與依據(jù)。
【專利說明】
一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別是涉及一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的 分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種新型輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)，點陣夾層板具有高強、隔熱、屏蔽輻射等顯著特 點，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ姆罒嵝问街?，在熱防護(hù)領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注與應(yīng)用。 當(dāng)應(yīng)用于高速飛行器時，點陣夾層結(jié)構(gòu)在極端的氣動力/熱載荷作用下，容易發(fā)生局部熔 穿、結(jié)構(gòu)屈曲等損傷。在試件制備過程中，點陣夾層板不可避免會出現(xiàn)各類制備缺陷，如虛 焊、脫焊、芯材扭轉(zhuǎn)、彎曲、斷裂等。點陣夾層板損傷與缺陷的出現(xiàn)會引起夾層板的力學(xué)特性 變化，如改變結(jié)構(gòu)固有振動特性，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)共振;降低結(jié)構(gòu)局部剛度與強度，產(chǎn)生局部 薄弱部位;改變結(jié)構(gòu)臨界屈曲溫度，增加結(jié)構(gòu)屈曲失效風(fēng)險等。因此，有必要開展損傷與缺 陷對點陣夾層板動力學(xué)特性的影響分析，為點陣夾層板損傷識別提供思路與依據(jù)。
[0003] 目前，已經(jīng)開展了損傷與缺陷對點陣夾層板振動特性影響的理論、數(shù)值與實驗研 究，但在現(xiàn)有工作中，損傷與缺陷都為預(yù)先給定的。在實際中，由于點陣夾層板服役環(huán)境復(fù) 雜多變以及各類突發(fā)事故，點陣夾層板的損傷往往也是隨機分布，如結(jié)構(gòu)遭受意外沖擊載 荷。同時，由于點陣夾層板工藝不成熟，隨機缺陷也會在制備中出現(xiàn)，如虛焊、缺焊等。不同 邊界條件、損傷程度和位置下的隨機損傷對點陣夾層板力學(xué)特性影響異常復(fù)雜。2001年， Wal Iach與Gibson研究了隨機損傷對夾層板靜力學(xué)特性的影響。他們發(fā)現(xiàn)模量與強度隨著 損傷增大而線性降低。但是，迄今為止，關(guān)于隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響規(guī)律的 研究未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是要提供一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法。
[0005] 特別地，本發(fā)明提供一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法，其 特征在于，包括如下步驟：
[0006] 步驟100,根據(jù)給定點陣夾層板模型的損傷程度和總胞元數(shù)目，得到該損傷程度下 缺失胞元的數(shù)目；
[0007] 步驟200,利用軟件隨機產(chǎn)生缺失胞元在所述點陣夾層板模型中的位置坐標(biāo)，再將 所述點陣夾層板模型中該位置坐標(biāo)處的胞元刪除，再對所述點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分 析，得到損傷后所述點陣夾層板模型的固有頻率，并輸出固有頻率結(jié)果；
[0008] 步驟300,通過固有頻率結(jié)果，計算所述點陣夾層板模型在指定固有頻率下的損傷 評價結(jié)果；
[0009] 步驟400,設(shè)置多組所述點陣夾層板模型的隨機損傷工況，并重復(fù)上述步驟以得到 每一隨機損傷工況下所述點陣夾層板模型的損傷評價結(jié)果，最終得到多組隨機損傷對所述 點陣夾層板模型在指定固有頻率下的平均影響。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟100中，缺失胞元的數(shù)目Nmissing由下式得到：
[0011] Nmissing = Π X Nlotal
[0012] η為給定的損傷程度，NTcltal為模型總胞元數(shù)目。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟300中所述點陣夾層板模型指定固有頻率的損傷評價結(jié)果通 過下式得到：
[0014]
[0015] Af1為固有頻率的評價參數(shù)，_^別為損傷與完好點陣夾層板模型的第i階 固有頻率。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟400中，多組隨機損傷工況對所述點陣夾層板模型在指定固有 頻率下的平均影響通過下式得到：
[0017]
[0018] 為相同邊界條件與損傷程度下第t組隨機損傷工況引起的第i階固有頻率的相 對變化，N為隨機工況的總數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述相同邊界條件包括針對所述點陣夾層板模型進(jìn)行一邊固支三邊自 由、兩邊固支兩邊自由和四邊固支三種情況。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟200中，隨機產(chǎn)生缺失胞元的位置坐標(biāo)的軟件是MATLAB。
[0021]進(jìn)一步地，所述步驟200中，是利用ANSYS將所述點陣夾層板模型中由MATLAB隨機 產(chǎn)生位置坐標(biāo)處的胞元刪除，并對所述點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析的。
[0022]本發(fā)明能夠獲得隨機損傷在不同條件下對點陣夾層板動力學(xué)特性的影響規(guī)律，為 后期點陣夾層板的損傷識別提供思路與依據(jù)。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明一個實施例分析方法的流程示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第一階的模態(tài)影響示 意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第二階的模態(tài)影響示 意圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第三階的模態(tài)影響示 意圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第四階的模態(tài)影響示 意圖；
[0028] 圖6是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第五階的模態(tài)影響示 意圖；
[0029] 圖7是本發(fā)明一個實施例中隨機損傷對點陣夾層板前六階中第六階的模態(tài)影響示 意圖。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明一個實施例的隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析 方法一般性地包括如下步驟：
[0031] 步驟100,根據(jù)給定點陣夾層板模型的損傷程度和總胞元數(shù)目，得到該損傷程度下 缺失的胞元數(shù)目；
[0032] 先選定一塊點陣夾層板作為測試模型。缺失胞元的數(shù)目Nmissing由下式得到：
[0033] Nmissing - Π . ^ Nlotal
[0034] η為給定的損傷程度，NTcltal為模型總胞元數(shù)目。
[0035] 步驟200,利用軟件隨機產(chǎn)生缺失胞元在點陣夾層板模型中的位置坐標(biāo)，再將點陣 夾層板模型中該位置坐標(biāo)處的胞元刪除，再對點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到損傷后 點陣夾層板模型的固有頻率，并輸出固有頻率結(jié)果；
[0036] 通過隨機的方式設(shè)定點陣夾層板損傷的位置，該損傷可以由相應(yīng)位置處缺失的胞 元來表現(xiàn)，隨機產(chǎn)生缺失胞元的位置坐標(biāo)的軟件可以是MATLAB。將缺失胞元的位置坐標(biāo)賦 給點陣夾層板模型的相應(yīng)位置坐標(biāo)，對該點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析的軟件可以是 ANSYS0
[0037] 通過模態(tài)分析即可得到該點陣夾層板模型在此隨機損傷狀態(tài)下的所有固有頻率。 [0038]本步驟中雖然給出了MATLAB和ANSYS兩個指定軟件，但在其它的實施例中，也可以 采用其它任意一個可以實現(xiàn)上述功能的軟件。
[0039] 步驟300,通過固有頻率結(jié)果，計算點陣夾層板模型在指定固有頻率下的損傷評價 結(jié)果；
[0040] 該點陣夾層板模型指定固有頻率的損傷評價結(jié)果可以通過下式得到：
[0041]

[0042] 其中，△ A為固有頻率的評價參數(shù)， 分別為損傷與完好點陣夾層板模型指 定的第i階固有頻率。
[0043]步驟400,設(shè)置多組點陣夾層板模型的隨機損傷工況，并重復(fù)上述步驟以得到每一 隨機損傷工況下點陣夾層板模型的損傷評價結(jié)果，最終得到多組隨機損傷對點陣夾層板模 型指定固有頻率的平均影響。
[0044] 多組隨機損傷對點陣夾層板指定固有頻率的平均影響通過下式評價：
[0045]
[0046] J//為相同邊界條件與損傷程度下第t組隨機損傷工況引起的第i階固有頻率的相 對變化，N為隨機工況的總數(shù)。
[0047] 這里的相同邊界條件是指對點陣夾層板模型的四個邊是否固定的情況，一般包括 針對點陣夾層板模型進(jìn)行一邊固支三邊自由、兩邊固支兩邊自由和四邊固支這三種情況。 本實施例中所采用的點陣夾層板模型可以是金字塔型金屬點陣夾層板。
[0048] 本發(fā)明能夠獲得隨機損傷在不同條件下對點陣夾層板動力學(xué)特性的影響規(guī)律，為 后期點陣夾層板的損傷識別提供思路與依據(jù)。
[0049] 實施例1
[0050] 選擇金字塔型金屬點陣夾層板模型。在算例中總胞元數(shù)目NTcltal = 400，損傷程度η 為0.01~0.1，則缺失胞元的數(shù)目Nmissing取值范圍為4~40。隨機損傷的Nmissing個胞元位置由 MTLAB程序生成，隨機分布于點陣夾層板結(jié)構(gòu)中。
[0051] 在計算中，共考慮三種邊界條件：一邊固支三邊自由（CFFF)，兩邊固支兩邊自由 (CCFF)，四邊固支(CCCC)，得到前六階固有頻率在隨機損傷下的相對變化，結(jié)果如圖2-7所 示。在這里，我們只涉及邊界條件對點陣夾層板固有特性的影響。
[0052]通過附圖2-7,可以看出，在相同損傷程度條件下，隨著約束條件越嚴(yán)格，固有頻率 的變化也越大。這是因為，隨著約束條件越嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)整體振動模態(tài)越復(fù)雜；同時，一些能夠 反映結(jié)構(gòu)局部振動的模態(tài)也會出現(xiàn)。由于復(fù)雜的振動模態(tài)與局部振動模態(tài)都對結(jié)構(gòu)損傷更 加敏感。因此，在相同損傷程度下，點陣夾層板固有頻率的變化與約束條件嚴(yán)格性成正比。 同時，通過附圖2-7可以看出，在相同邊界條件下，隨著損傷程度的增大，點陣夾層板結(jié)構(gòu)的 固有頻率變化也增大。這是因為，缺失胞元的數(shù)目越多，點陣夾層板結(jié)構(gòu)剛度變化越大，根 據(jù)動力學(xué)方程，點陣夾層板固有頻率變化也越大。
[0053]通過上述分析結(jié)果可以看出，本發(fā)明提出的分析方法的數(shù)值結(jié)果與分析結(jié)果一 致，說明提出的這種隨機損傷對點陣夾層板振動特性影響的分析方法是正確的。
[0054]至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個示 例性實施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接 確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其它變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn) 定為覆蓋了所有這些其它變型或修改。
【主權(quán)項】
1. 一種隨機損傷對點陣夾層板動力學(xué)特性影響的分析方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟100,根據(jù)給定點陣夾層板模型的損傷程度和總胞元數(shù)目，得到該損傷程度下缺失 胞元的數(shù)目； 步驟200，利用軟件隨機產(chǎn)生缺失胞元在所述點陣夾層板模型中的位置坐標(biāo)，再將所述 點陣夾層板模型中該位置坐標(biāo)處的胞元刪除，再對所述點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析，得 到損傷后所述點陣夾層板模型的固有頻率，并輸出固有頻率結(jié)果； 步驟300,通過固有頻率結(jié)果，計算所述點陣夾層板模型在指定固有頻率下的損傷評價 結(jié)果； 步驟400,設(shè)置多組所述點陣夾層板模型的隨機損傷工況，并重復(fù)上述步驟以得到每一 隨機損傷工況下所述點陣夾層板模型的損傷評價結(jié)果，最終得到多組隨機損傷對所述點陣 夾層板模型在指定固有頻率下的平均影響。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于， 所述步驟100中，缺失胞元的數(shù)目Nmissing由下式得到： Nmissing - H X NlOtal n為給定的損傷程度，NTcital為模型所有胞元數(shù)目。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于， 所述步驟300中所述點陣夾層板模型指定固有頻率的損傷評價結(jié)果通過下式得到：a h為固有頻率的評價參數(shù)，分別為損傷與完好點陣夾層板模型的第i階固有 頻率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于， 所述步驟400中，多組隨機損傷工況對所述點陣夾層板模型在指定固有頻率下的平均 影響通過下式得到：為相同邊界條件與損傷程度下第t組隨機損傷工況引起的第i階固有頻率的相對變 化，N為隨機工況的總數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分析方法，其特征在于， 所述相同邊界條件包括針對所述點陣夾層板模型進(jìn)行一邊固支三邊自由、兩邊固支兩 邊自由和四邊固支三種情況。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于， 所述步驟200中，隨機產(chǎn)生缺失胞元的位置坐標(biāo)的軟件是MATLAB。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的分析方法，其特征在于， 所述步驟200中，是利用ANSYS將所述點陣夾層板模型中由MATLAB隨機產(chǎn)生位置坐標(biāo)處 的胞元刪除，并對所述點陣夾層板模型進(jìn)行模態(tài)分析的。
【文檔編號】G06F17/50GK106055766SQ201610357186
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】宋宏偉, 路玲玲, 黃晨光
【申請人】中國科學(xué)院力學(xué)研究所