正则模态是某固定频率下随时间变化的无阻尼正弦运动模式。结构保持动态平衡,并经历自由振动。结构的正态模态和固有频率控制其动态响应。
在固体力学中,正则模态和固有频率通常被称为特征模态和特征频率,因为它们根据特征值问题进行计算。要派生特征值问题,考虑常规非线性运动方程的收敛求解:
(4643) 其中,
为质量矩阵,
、
和
分别为位移、速度和加速度矢量,
为内力矢量,
为外部载荷矢量。
对于位移
的扰动
,Eqn. (4643) 变为:
(4644) 在
中线性化
Eqn. (4644) 可得到:
(4645) 其中,速度相关内力
被忽略。生成的切线刚度矩阵为:
(4646) 其中,
是由内力(包括几何和材料非线性)计算的刚度,
是由从动力计算的刚度。
假设一个收敛解(即在
时
),则在
的平衡方程变为:
(4647) 假设扰动是自由谐波振荡:
(4648) 则
Eqn. (4647) 为:
(4649) 由于
项对于任意 t 均为非零,
Eqn. (4649) 简化为:
(4650) 这是正则模态特征值问题。对于正定矩阵
和对称矩阵
,特征值
和特征向量
为实数。此外,不同特征值的特征向量
与质量和刚度矩阵正交:
(4651) (4652) 如果矩阵
和
有
阶,则特征值问题有
个不同的特征值和特征向量。特征向量的幅值是任意的,可相对于质量矩阵进行归一化:
(4653) (4654) 特征值和特征频率定义如下:
(4655) (4656) (4657) 其中,Eqn. (4655) 为第
个特征值 (
),Eqn. (4656) 为第
个圆周特征频率 (
),Eqn. (4657) 为第
个特征频率 (
)。
特征值问题使用 SLEPc 开源库中的 Krylov-Schur 方法求解,并用于计算最小和最大幅值特征值。在大多数瞬态问题中,最低特征频率在结构响应中占主导。较高的特征频率和特征值取决于网格大小,因此不精确。通常,至少需要五个元素来表示具有工程精度特征模态的半正弦波。在冲击问题中,需要较高的特征频率来检查求解的有效性。