正则模态

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:
1. EQUATION_DISPLAY
r ( u ) = M u ¨ ( t ) + f ( u ( t ) , u ˙ ( t ) ) p ( u ( t ) ) = 0
(4643)

其中, M 为质量矩阵, u ( t ) u ˙ ( t ) u ¨ ( t ) 分别为位移、速度和加速度矢量, f ( u ( t ) , u ˙ ( t ) ) 为内力矢量, p ( u ( t ) ) 为外部载荷矢量。

对于位移 u 的扰动 Δ u Eqn. (4643) 变为:

2. EQUATION_DISPLAY
r ( u + Δ u ) = M [ u ¨ + Δ u ¨ ] + f ( u + Δ u ) p ( u + Δ u )
(4644)
u 中线性化 Eqn. (4644) 可得到:
3. EQUATION_DISPLAY
r ( u + Δ u ) = M u ¨ + M Δ u ¨ + f ( u , u ˙ ) + f u Δ u p ( u ) p u Δ u
(4645)
其中,速度相关内力 f ( u ˙ ) 被忽略。生成的切线刚度矩阵为:
4. EQUATION_DISPLAY
K = f u p u
(4646)

其中, f u 是由内力(包括几何和材料非线性)计算的刚度, p u 是由从动力计算的刚度。

假设一个收敛解(即在 u r ( u ) = 0 ),则在 u + Δ u 的平衡方程变为:
5. EQUATION_DISPLAY
M Δ u ¨ + K Δ u = 0
(4647)
假设扰动是自由谐波振荡:
6. EQUATION_DISPLAY
Δ u = x k sin ( ω k t )
(4648)
Eqn. (4647) 为:
7. EQUATION_DISPLAY
( K ω k 2 M ) x k sin ω k t = 0
(4649)
由于 sin ω k t 项对于任意 t 均为非零,Eqn. (4649) 简化为:
8. EQUATION_DISPLAY
( K ω k 2 M ) x k = 0
(4650)
这是正则模态特征值问题。对于正定矩阵 K 和对称矩阵 M ,特征值 λ k = ω k 2 和特征向量 x k 为实数。此外,不同特征值的特征向量 i j 与质量和刚度矩阵正交:
9. EQUATION_DISPLAY
x i T M x j = 0
(4651)
10. EQUATION_DISPLAY
x i T K x j = 0
(4652)
如果矩阵 K [ n , n ] M [ n , n ] n 阶,则特征值问题有 k = 1 , ... , n 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:
11. EQUATION_DISPLAY
x k T M x k = 1
(4653)
12. EQUATION_DISPLAY
x k T K x k = ω k 2
(4654)
特征值和特征频率定义如下:
13. EQUATION_DISPLAY
λ k = ω k 2
(4655)
14. EQUATION_DISPLAY
ω k = λ k
(4656)
15. EQUATION_DISPLAY
f k = ω k 2 π
(4657)

其中,Eqn. (4655) 为第 k t h 个特征值 ( r a d 2 sec 2 ),Eqn. (4656) 为第 k t h 个圆周特征频率 ( r a d sec ),Eqn. (4657) 为第 k t h 个特征频率 ( 1 sec = H z )。

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。