【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于桥梁结构动力响应分析，尤其涉及一种频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法。
技术介绍
1、钢结构桥梁因其轻质高强、施工便捷等优势，在城市轨道交通、高速铁路建设中有广阔应用前景。但因其较薄的板厚、较大的幅面尺寸，产生的振动噪声问题亟待解决。
2、耦合板在钢桥中应用广泛，常见的如正交异性板、钢箱梁均属此范畴。此类板件常由两块或多块薄板经焊接而成，用于提高桥梁的刚度和整体性。在列车激励下，振动将从轨道系统开始，自上而下在钢梁中传递。当前分析钢桥结构动力特性的方法多关注板件上某一特定点的响应或板件的平均振动水平，而没有关注振动的本质——振动能量在钢桥结构中的传递情况。
3、若能够实现对振动能量的准确描述，就可以在振动能量的主要传递路径上采取有针对性的控制措施(如：设置阻尼器、敷设阻尼层等)，实现对振动噪声的高效控制，这对于钢桥振动分析和减振降噪有重要理论意义和工程价值。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，解决了现有方法难以描述振动能量传递路径的问题。
2、为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：一种频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，包括以下步骤：
3、s1、构建待分析耦合薄板结构的板壳有限元模型，并进行模态分析，对板壳有限元模型的阻尼和边界条件进行修正；
4、s2、确定分析频率，在经修正后的板壳有限元模型中
5、s3、将节点位移进行插值计算得到每个单元的位移量，并基于单元内力和平均位移量计算每个单元的结构声强矢量及其分量大小和方向；
6、s4、基于步骤s3得到的结果，对结构声强矢量进行归一化处理，并根据网格节点确定每个单元的坐标，绘制结构声强二维矢量云图；
7、s5、根据结构声强二维矢量云图，计算结构声强的切线方向，绘制结构声强的二维流线图；
8、s6、根据对二维矢量进行坐标变换得到的三维空间矢量，绘制结构三维几何模型，并将三维空间矢量与三维几何模型进行叠加，得到三维空间矢量图，完成频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量的可视化处理。
9、本专利技术的有益效果是：本专利技术通过构建与修正板壳有限元模型，并通过计算每个单元的结构声强矢量及其分量大小和方向，绘制结构声强的二维流线图和三维空间矢量图，实现了耦合薄板结构功率流及其分量的可视化，实现了振动能量传递路径在三维结构中的准确描述，对揭示该类结构振动传递机理、指导结构优化和提出减振降噪手段具有重要理论意义和工程价值，同时，本专利技术也可对其他领域相似耦合板结构振动分析方法提供参考。其可以实现振动能量传递的可视化，便于从本质角度进行耦合板振动分析，并指导减振降噪。
10、进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：
11、s101、构建待分析耦合薄板结构的板壳有限元模型，其中，耦合板件均采用均匀弹性材料，板件间采用共节点方式耦合，板件中间平面的最小边长l与厚度h之比为l/h<80；
12、s102、对待分析耦合薄板结构赋予结构阻尼参数；
13、s103、进行模态分析，将分析的自振频率与试验结果对比，修正板壳有限元模型的阻尼和边界条件。
14、上述进一步方案的有益效果是：建立待分析结构准确的数值模型，通过模型修正保证分析结果的准确性。
15、再进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
16、s301、根据单元位置确定该单元上的节点编号，并将每个节点的位移进行插值计算得到每个单元的平均位移量；
17、s302、根据每个单元的平均位移量，结合单元内力计算每个单元在x和y方向的结构声强矢量；
18、s303、计算每个单元在x和y方向的结构声强分量。
19、上述进一步方案的有益效果是：解决了有限元软件中单元位移无法直接输出的问题，采用多节点插值可得到更精确的位移量；结合单元内力和位移，实现了结构声强矢量及其分量的计算。
20、再进一步地，所述每个单元在x和y方向的结构声强矢量的表达式如下：
21、
22、其中，和表示每个单元在x和y方向的结构声强矢量，ω表示频率，nx和ny均表示板单元在单位宽度上的轴向力，nxy和nyx均表示板单元在单位宽度上的切向力，u*、v*和w*分别表示x、y、z方向上平均平动位移复共轭，qx和qy分别表示板单元在单位宽度上面外x和y方向的剪力，mx和my均表示板单元在单位宽度上的弯矩，mxy和myx均表示板单元在单位宽度上的扭矩，和分别表示绕x、y方向平均转角的复共轭。
23、上述进一步方案的有益效果是：实现了频域内板单元结构声强的计算，通过此步骤可实现耦合薄板结构中任意频率、任意单元的结构声强计算。
24、再进一步地，所述每个单元在x和y方向的结构声强分量的表达式如下：
25、
26、
27、
28、
29、其中，和分别表示结构声强在x和y方向的纵波分量，和分别表示结构声强在x和y方向的剪切波分量，和分别表示结构声强在x和y方向的弯曲波分量，和分别表示结构声强在x和y方向的扭转波分量。
30、上述进一步方案的有益效果是：实现了频域内板单元结构声强分量大小、方向的计算，可用于分析各类耦合薄板结构的振动波组成成分、贡献度，明确主导振动波分量，对揭示该类结构振动传递机制有重要意义。
31、再进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：
32、s401、基于步骤s3得到的结果，根据x和y方向的结构声强矢量，计算其幅值，并进行归一化处理，将全局最大结构声强矢量的幅值化归为1：
33、
34、其中，ii'表示经归一化处理后的结构声强，ii表示任意单元i的结构声强，imax表示结构最大结构声强幅值；
35、s402、选择任意板件，根据有限元的网格节点确定每个单元的平面坐标，并根据平面坐标对应的结构声强幅值，绘制二维云图；
36、s403、将单元的平面坐标作为矢量起点，将ix和iy作为矢量长度，绘制结构声强二维矢量图，其中，ix和iy分别表示单元在x和y方向归一化后的结构声强矢量；
37、s404、将二维云图与结构声强矢量图进行叠加，形成结构声强二维矢量云图。
38、上述进一步方案的有益效果是：通过归一化处理调整了矢量箭头显示长度，可实现任意耦合薄板结构的结构声强二维矢量云图绘制，可显示待分析结构各处的能量幅值和能量流动趋势，对指导减振降噪有重要意义。
39、再进一步地，所述步骤s5具体为：
40、根据结构声强二维矢量云图，计算结构声强的切线方向，绘制结构声强的二维流线图，其中，二维流线在给定流线上任意一点的结构声强矢量均与其相切。
【技术保护点】
1.一种频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述每个单元在x和y方向的结构声强矢量的表达式如下：
5.根据权利要求4所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述每个单元在x和y方向的结构声强分量的表达式如下：
6.根据权利要求1所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
8.根据权利要求6所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤
...【技术特征摘要】
1.一种频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的频域内耦合薄板结构功率流及其振动波分量可视化方法，其特征在于，所述每个单元在x和y方向的结构声强矢量的表达式如下：
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