(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111457461.8 (22)申请日 2021.12.02 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 国杰　杨亚飞　张新玉　 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于横观各项同性虚拟材料的固定结 合面等效模型建立方法 (57)摘要 本发明提供一种基于横观各项同性虚拟材 料的固定 结合面等效模型建立方法， 采用横观各 向同性虚拟材料层单元构建固定结合面等效模 型， 理论推导虚拟材料层参数计算模型； 对含有 结合面的组合结构进行模态试验分析， 基于所建 立的等效模型建立组合结构的参数化有 限元模 型， 并对其进行模态仿真分析； 通过试验和计算 的模态数据建立目标函数， 并利用优化算法对所 建立的目标函数进行优化， 进而对待定参数进行 识别， 确定虚拟材料层的所有参数。 本发明的固 定结合面等效模型建立方法是基于横观各向同 性虚拟材料， 相比于普通的虚拟材料方法考虑结 合面法向和切向不同连接特性， 与实际情况更相 符， 可以提升动力学响应 计算精度。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114186455 A 2022.03.15 CN 114186455 A 1.一种基于横观各项同性虚拟材料的固定结合面等效模型建立方法， 其特征在于， 包 括以下步骤： 步骤1： 在结构的有限元模型中， 采用横观各向同性虚拟材料层单元代替由两个相互接 触的部件所构成的固定结合 面， 以构建固定结合 面等效模型。 所述的横观各向同性虚拟材料层单元在结合面的切向平面内具有相同的性能， 并且与 法向性能不同， 这与各向 同性虚拟材料所不同， 其考虑了结合面法向和切向不同连接特性。 横观各向同性虚拟材 料层单元与两个相互接触的部件之间是直接刚性连接 。 步骤2： 根据横观各向同性材料的本构方程和固定结合面连接参数， 建立虚拟材料层参 数计算模型。 所述的虚拟材料层 参数共有 12个， 分别为弹性模量Ex,Ey,Ez， 剪切模量Gyz,Gxz,Gxy， 泊松 比μyz, μxz, μxy， 厚度h， 密度ρ和阻尼系数η。 鉴于虚拟材料层 是横观各向同性材料， 有Ex＝Ey, Gyz＝Gxz, μyz＝ μxz以及Gxy＝Ex/(2+2 μxy)。 虚拟材料层弹性模量Ex,Ey,Ez计算公式为： 其中， E1,E2是两个相互接触部件的弹性模量， μ1, μ2是两个相互接触部件的泊松比， σn, εn是虚拟材 料层的法向应力和应 变， kn是结合面单位面积法向刚度， h是虚拟材 料层厚度。 虚拟材料层剪切模量Gyz,Gxz,计算公式为： 其中， τ,γ是虚拟材 料层的法向应力和应 变， kτ是结合面单位面积切向刚度。 结合面在切向平面内承受拉压载荷时， 法向产生的变形主要用于填补结合面微观微凸 体之间的间隙， 因此忽略法向产生的变形， 所以有 μyz＝ μxz＝0。 同理， 忽略切向产生的变形， 所以有 μxy＝0。 虚拟材料层厚度h的计算公式为： h＝h1+h2                           (5) 其中， h1,h2是两个相互接触部件表面 微观微凸体厚度。 虚拟材料层密度ρ 计算公式为： 其中， m1,m2是两个相互接触部件表面微观微凸体质量， ρ1, ρ2是两个相互接触部件表面 微观微凸体密度， V是虚拟材 料层的体积， A是 结合面的接触面积。 虚拟材料层阻尼系数 η 的计算公式为： η＝ η0                            (7)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114186455 A 2其中， η0是阻尼系数常数， 其 值与结合 面的润滑条件， 表面 粗糙度等因素有关。 步骤3： 根据固定结合 面连接参数， 确定上述虚拟材 料层中的已知参数及待定参数。 所述的虚拟材料层已知参数为： 两个相互接触部件的泊松比μ1, μ2， 弹性模量E1,E2以及 表面微观微凸体厚度h1,h2， 密度ρ1, ρ2。 其值可以通过部件本身的材料属性参数获得， 其中 厚度与表面粗糙度有关。 所述的虚拟材料层待定参数为： 结合面单位面积法向刚度和切向 刚度kn,kτ以及阻尼系数 η。 因为 其与结合 面的润滑条件， 表面 粗糙度等因素有关。 步骤4： 对 含有结合 面的组合结构进行模态试验分析， 获得 试验固有频率和阻尼比。 步骤5： 基于步骤1的固定结合面等效模型建立组合结构的参数化有限元模型， 其设计 变量为待定参数kn,kτ和 η0。 步骤6： 基于步骤5的组合结构的参数化有限元模型进行模态仿真分析， 获取计算固有 频率和阻尼比。 步骤7： 基于步骤4的试验固有频率和阻尼比以及步骤6的计算固有频率和阻尼比建立 目标函数。 目标函数 F为： 其中， m是模态的阶数， fie, ξie是试验固有频率和阻尼比， fic, ξic是计算固有频率和阻尼 比。 当试验固有频率和阻尼比与计算固有频率和阻尼比很接近或相等 时， 认为虚拟材料层 能够表示真实结合 面的连接特性。 步骤8： 基于优化算法对步骤7的目标函数F进行优化， 进而对待定参数kn,kτ和 η0进行识 别。 优化算法通过调用步骤5和步骤6来计算目标函数的值， 实现了仿真的集成。 优化的设 计变量初始范围根据实际经验确定， 优化终止条件为： |Fi‑Fi‑1|≤Tol            (9) 其中， Fi是当前迭代步的目标函数值， Fi‑1是上一迭代步的目标函数值， To l是容许偏差 。 步骤9： 基于步骤8的优化识别结果， 结合 步骤3可确定虚拟材 料层的所有参数。 将步骤8得到的设计变量kn,kτ和 η0最优值带入式(2)、 (3)、 (7)得Ez,Gyz和 η， 结合步骤3 的已知参数， 确定虚拟材 料层的所有参数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114186455 A 3