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[综合讨论] 计算平板振动模态的程序

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发表于 2012-12-8 16:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 shwning 于 2012-12-8 19:54 编辑

平板声辐射计算源程序(主函数plate_ex3).rar (7.51 KB, 下载次数: 49) 本人编的计算平板振动模态的程序,见附件。(部分参考MATLAB有限元结构动力学分析与工程应用),可计算,用到的子函数已给出。计算得到频率域理论值相差很大,振型很好。计算采用集中质量,一致质量矩阵哪位源程序课发给我,谢谢!同时请求找出计算频率过高的原因。
结构理论频率解:
1

2

3

4

5

6

(1,1)

(1,2)

(2,2)

(1,3)

(2,3)

(1,4)

98

245.7

393.1

491.4

638.8

835.4



% 静力学与固有特性分析
clear
clc
Optmass=1;
alpha=0.01;beta=0.02;   %比例阻尼:C=alpha*M+beta*K
% input basic data
no_elL=10;   %长度方向单元数:10
no_elW=10;   %宽度方向单元数:10
no_el=no_elL*no_elW;  %单元数
no_nel=4;    %每个单元的节点数
no_dof=3;    %每个节点自由度数
no_node=(10+1)*(10+1);  %系统的节点总数
sys_dof=no_node*no_dof;
% 材料和几何参数
prop(1)=2.1e11;     %杨氏模量
prop(2)=0.3;        %泊松比
prop(3)=7860;       %密度
prop(4)=0.5;        %板长度
prop(5)=0.5;        %板宽度
prop(6)=0.005;      %板厚度
% 节点坐标
xn=zeros(no_node,1); yn=zeros(no_node,1); zn=zeros(no_node,1);
dx=prop(4)/no_elL;dy=prop(5)/no_elW;
k=0;
for i=1:(no_elW+1)
    for j=1:(no_elL+1)
        yn(j+k*(no_elL+1))=(i-1)*dy;    %节点y轴坐标
        xn(j+k*(no_elL+1))=(j-1)*dx;    %节点x轴坐标
    end
    k=k+1;
end
gcoord=[xn yn zn];
% 节点连接关系
ndconn=zeros(no_el,no_nel+1);
m=1;n=0;
for i=1:no_elW
    for j=1:no_elL
        ndconn(m,1)=m;
        ndconn(m,2)=m+n;
        ndconn(m,3)=m+n+1;
        ndconn(m,4)=m+n+1+11;
        ndconn(m,5)=m+n+11;
        m=m+1;
    end
    n=n+1;
end
% 加载
% ======静载荷
P=[500,60,1];
% 边界条件
for i=1:10
    connode(i,:)=[i,1,0,0];
    connode(i+10,:)=[i*11,1,0,0];
    connode(i+20,:)=[i*11+1,1,0,0];
    connode(i+30,:)=[i+111,1,0,0];
end
for i=1:10
    conval(i,:)=[i,0,0,0];
    conval(i+10,:)=[i*11,0,0,0];
    conval(i+20,:)=[i*11+1,0,0,0];
    conval(i+30,:)=[i+111,0,0,0];
end
%---------------------------------------------
% 初始化
k=zeros(no_nel*no_dof,no_nel*no_dof);
m=zeros(no_nel*no_dof,no_nel*no_dof);    %单元质量刚度矩阵
K=zeros(sys_dof,sys_dof);
M=zeros(sys_dof,sys_dof);                %系统质量刚度矩阵
F=zeros(sys_dof,1);                      %系统载荷向量
bcdof=zeros(sys_dof,1);
bcval=zeros(sys_dof,1);
index=zeros(no_nel*no_dof,1);
[k,m]=quadEleStiffmat(prop,2);   %单元刚度矩阵
for th=1:no_el
    %--------------------------------------------
    nd(1)=ndconn(th,2);     %第th单元的节点1
    nd(2)=ndconn(th,3);     %第th单元的节点2
    nd(3)=ndconn(th,4);     %第th单元的节点3
    nd(4)=ndconn(th,5);     %第th单元的节点4
    %--------------------------------------------------
    index=femSysEleindex(nd,no_nel,no_dof);    %获得第th单元在系统矩阵中的位置
    K=femAssembmat(K,k,index);           %将第th单元的刚度矩阵组装到系统矩阵中
    M=femAssembmat(M,m,index);           %将第th单元的质量矩阵组装到系统矩阵中
end
% 施加边界条件
[K0,M0,F0,bcdof0,bcval0,sdof0,Ki0]=femKcheck(K,M,F,bcdof,bcval);
[K1,M1,F1]=femSysAppBC(K0,M0,F0,bcdof0,bcval0);
[K2,M2,F2,bcdof2,bcval2,sdof2,Mi2]=femMcheck(K1,M1,F1,bcdof0,bcval0);
% 阻尼矩阵
C=alpha*M2+beta*K2;
% 静力学分析
dispplate=K2\F2;
dispp=PostDeal(dispplate,Mi2,Ki0,[],sys_dof);
dispP=reshape(dispp(1:3:end),11,11);
figure(42),surfc(dispP)
% 内力分布
F=K*dispp;
F=reshape(F(1:3:end),11,11);
figure(43),surfc(F)
% 模态分析
[V,D]=eig(K2,M2);
[lambda,ki]=sort(diag(D));
omega=sqrt(lambda);
Homega=omega/2/pi
%模态振型
%集中质量矩阵
for i=1:7
    Ys=PostDeal(V(:,i),Mi2,Ki0,[],sys_dof);
    ys=Ys(1:3:end);
    ys=reshape(ys,11,11);
    figure(i),surf(ys)
end
%================================
function [bcdof,bcval]=femCalConst(ConNode,ConVal,No_dof,Sys_dof)
bcdof=zeros(Sys_dof,1);        % initializing the vector bcdof
bcval=zeros(Sys_dof,1);        % initializing the vector bcval
[n1,n2]=size(ConNode);         % calculate the constrained dofs
for ni=1:n1
    ki=ConNode(ni,1);
    bcdof((ki-1)*No_dof+(1:No_dof))=ConNode(ni,2:(No_dof+1));  % the code for constrained dofs
                                                               % 施加约束取“1”
                                                               % 不施加约束取“0”
    bcval((ki-1)*No_dof+(1:No_dof))=ConVal(ni,2:(No_dof+1));   % the value at constrained dofs
end
%==========================================
function [k,m]=quadEleStiffmat(prop,masschoose)
% //////////////////////////////
% E:杨氏模量
% poisson:泊松比
% density:密度
% a:单元x方向长度/2
% b:单元x方向长度/2
% t:薄板厚度
% masschoose:1-协调质量矩阵;2-集中质量矩阵
% -------------------
% k:刚度矩阵
% m:质量矩阵
% ///////////////////////////////
%刚度矩阵
E=prop(1);
poisson=prop(2);
density=prop(3);
a=prop(4)/2;
b=prop(5)/2;
t=prop(6);
k=cell(4,4);     %刚度矩阵
zeta=[-1 1 1 -1];  %x方向
eta= [-1 -1 1 1];  %y方向
a_b=(a/b)^2;  b_a=(b/a)^2;
H=(1/60/a/b)*E*t*t*t/12/(1-poisson*poisson);
for i=1:4
    for j=1:4
        zeta0=zeta(i)*zeta(j); %x方向
        eta0=eta(i)*eta(j); %y方向
        %----------------------------------------------------------------
        H11=3*H*(15*(b_a*zeta0+eta0*a_b)+(14-4*poisson+5*b_a+5*a_b)*zeta0*eta0);
        H12=-3*H*b*((2+3*poisson+5*a_b)*zeta0*eta(i)+15*a_b*eta(i)+5*poisson*zeta0*eta(j));
        H13=3*H*a*((2+3*poisson+5*b_a)*eta0*zeta(i)+15*b_a*zeta(i)+5*poisson*eta0*zeta(j));
        %------------------------------------------------------------------
        H21=-3*H*b*((2+3*poisson+5*a_b)*zeta0*eta(j)+15*a_b*eta(j)+5*poisson*zeta0*eta(i));
        H22=H*b*b*(2*(1-poisson)*zeta0*(3+5*eta0)+5*a_b*(3+zeta0)*(3+eta0));
        H23=-15*H*poisson*a*b*(zeta(i)+zeta(j))*(eta(i)+eta(j));
        %-----------------------------------------
        H31=3*H*a*((2+3*poisson+5*b_a)*eta0*zeta(j)+15*b_a*zeta(j)+5*poisson*eta0*zeta(i));
        H32=-15*H*poisson*a*b*(zeta(i)+zeta(j))*(eta(i)+eta(j));
        H33=H*a*a*(2*(1-poisson)*eta0*(3+5*zeta0)+5*b_a*(3+zeta0)*(3+eta0));
        k{i,j}=[H11 H12 H13;H21 H22 H23;H31 H32 H33];
    end
end
k=cell2mat(k);   %元胞数组转化为矩阵
%========================================
%质量矩阵
switch masschoose
    case 1
        %协调一致矩阵
        disp('采用协调一致矩阵');
        
    case 2
        %略去转动自由度上的质量
        disp('采用集中质量矩阵')
        m=zeros(12,12);
        w=a*b*t*density;
        m(1,1)=w;
        m(4,4)=w;
        m(7,7)=w;
        m(10,10)=w;
    otherwise
        disp('????????sorry, you only can input ''1-(协调一致矩阵) or 2-(单元质量矩阵)''');
        m=[];
end
%==================================
function index=femSysEleindex(elecond,numnodelement,numdofnode)
% 单元与系统之间的关联节点向量
% elecond:与某单元相连的节点
% numnodelement:单元节点数
% numdofnode:节点自由度数
% -----------------
% index:单元各节点向量在系统矩阵中位置
k=0;
for i=1:numnodelement
    start=(elecond(i)-1)*numdofnode;
    for j=1:numdofnode
        k=k+1;
        index(k)=start+j;
    end
end
%===========================
function [KM]=femAssembmat(KM,km,index)
% 质量矩阵和刚度矩阵的组装
% KM:组装后刚度矩阵和质量矩阵
% km:单元刚度矩阵和质量矩阵
% index:单元与系统关联向量
% %-------------------
% KM:组装后刚度矩阵和质量矩阵
%///////////////////////////////
numdofelement=length(index);
for i=1:numdofelement
    for j=1:numdofelement
        KM(index(i),index(j))=KM(index(i),index(j))+km(i,j);
    end
end
%================================
function [K,M,F,bc_dof,bc_val,sdof,kki]=femKcheck(kk,mm,ff,bcdof,bcval)
% 检查总体刚度矩阵KK的主元是否为零
%--------------------------------------------------------------------------
[sdof1,n1]=size(kk);
jk=0;
for ii=1:sdof1                         % loop for check of the zero main elements in kk
    check=kk(ii,ii);
    if check==0
        jk=jk+1;                                   % location of the zero main element
        kki(jk)=ii;                        % storring the location of the zero main element
    end
end
if jk~=0
    disp('main elements of kk:')                         % display the zero main element
    kkii=kki;
    disp('equal zero')
end
if jk==0
    kki=[];
    disp('=======main elements are not equal zero')
end
%--------------------------------------------------------------------------
%  (2) eliminate the columns and rows in kk, mm, ff, bcdof, bcval
%--------------------------------------------------------------------------
if jk~=0
    for jj=jk:-1:1                 % loop for moving the columns and rows associated with
        % the zero main element in the system matrix equation
        hh=sdof1-kki(jj);
        hr=kki(jj);
        for i=1:hh                                % exchanging the rows in the equation
            kt=kk(hr+i-1,:);
            mt=mm(hr+i-1,:);
            ft=ff(hr+i-1,:);
            bdt=bcdof(hr+i-1);
            bvt=bcval(hr+i-1,:);
            kk(hr+i-1,:)=kk(hr+i,:);
            mm(hr+i-1,:)=mm(hr+i,:);
            ff(hr+i-1,:)=ff(hr+i,:);
            bcdof(hr+i-1)=bcdof(hr+i);
            bcval(hr+i-1,:)=bcval(hr+i,:);
            kk(hr+i,:)=kt;
            mm(hr+i,:)=mt;
            ff(hr+i,:)=ft;
            bcdof(hr+i,:)=bdt;
            bcval(hr+i,:)=bvt;
        end
        for j=1:hh                             % exchanging the columns in the equation
            kt=kk(:,hr+j-1);
            mt=mm(:,hr+j-1);
            kk(:,hr+j-1)=kk(:,hr+j);
            mm(:,hr+j-1)=mm(:,hr+j);
            kk(:,hr+j)=kt;
            mm(:,hr+j)=mt;
        end
    end
end
sdof=sdof1-jk;
K=[kk(1:sdof,1:sdof)];                % eliminating the columns and rows of the kk
M=[mm(1:sdof,1:sdof)];             % eliminating the columns and rows of the mm
F=[ff(1:sdof,:)];                                    % eliminating the rows of the ff
bc_dof=[bcdof(1:sdof)];                          % eliminating the rows of the bcdof
bc_val=[bcval(1:sdof,:)];                          % eliminating the rows of the bcval
%--------------------------------------------------------------------------
%===================================
function [K,M,F,bc_dof,bc_val,sdof,mmi]=femMcheck(kk,mm,ff,bcdof,bcval)
% 检查总体质量矩阵MM的主元是否为零
[sdof1,n2]=size(kk);
jk=0;
for ii=1:sdof1                         % loop for check of the zero main elements in mm
    check=mm(ii,ii);
    if check==0
        jk=jk+1;                                   % location of the zero main element
        mmi(jk)=ii;                        % storing the location of the zero main element
    end
end
if jk==0
    mmi=[];
    disp('=======main elements are not equal zero')
end
%--------------------------------------------------------------------------
%  (2) eliminate the columns and rows in kk, mm, ff, bcdof, bcval
%--------------------------------------------------------------------------
if jk~=0
    for jj=jk:-1:1                 % loop for moving the columns and rows associated with
        % the zero main element in the system matrix equation
        hh=sdof1-mmi(jj);
        hr=mmi(jj);
        for i=1:hh                                % exchanging the rows in the equation
            kt=kk(hr+i-1,:);
            mt=mm(hr+i-1,:);
            ft=ff(hr+i-1,:);
            bdt=bcdof(hr+i-1);
            bvt=bcval(hr+i-1);
            kk(hr+i-1,:)=kk(hr+i,:);
            mm(hr+i-1,:)=mm(hr+i,:);
            ff(hr+i-1,:)=ff(hr+i,:);
            bcdof(hr+i-1)=bcdof(hr+i);
            bcval(hr+i-1)=bcval(hr+i);
            kk(hr+i,:)=kt;
            mm(hr+i,:)=mt;
            ff(hr+i,:)=ft;
            bcdof(hr+i)=bdt;
            bcval(hr+i)=bvt;
        end
        for j=1:hh                             % exchanging the columns in the equation
            kt=kk(:,hr+j-1);
            mt=mm(:,hr+j-1);
            kk(:,hr+j-1)=kk(:,hr+j);
            mm(:,hr+j-1)=mm(:,hr+j);
            kk(:,hr+j)=kt;
            mm(:,hr+j)=mt;
        end
    end
end
sdof=sdof1-jk;
K=[kk(1:sdof,1:sdof)];                 % eliminating the columns and rows of the kk
M=[mm(1:sdof,1:sdof)];             % eliminating the columns and rows of the mm
F=[ff(1:sdof,:)];                                    % eliminating the rows of the ff
bc_dof=[bcdof(1:sdof)];                          % eliminating the rows of the bcdof
bc_val=[bcval(1:sdof)];                           % eliminating the rows of the bcval
%--------------------------------------------------------------------------
%--------------------------------------------------------------------------
function [K,M,F]=femSysAppBC(K,M,F,bcdof,bcval)
ni=length(bcdof);
sdof=size(K);

for ii=1:ni
   if bcdof(ii)==1
     for j=1:sdof
       K(ii,j)=0;
       K(j,ii)=0;
       M(ii,j)=0;
       M(j,ii)=0;
       F(j)=F(j)-bcval(ii)*K(j,ii);
     end
     K(ii,ii)=1;
     K(ii)=bcval(ii);
   end
end
%--------------------------------------------------------------------------
function Ys=PostDeal(X,Ch3,Ch2,Ch1,SysDof)
% 根据需要将计算结果还原到与原来节点对应位置;
% 应用工程中根据需要做适当修改
% 应该注意原始数据检查的顺序,因此在还原时应该按照相反地顺序进行
% ------------------------------
% Ys-还原后的数据
% --------------------------------
% X-需要还原的数据,以列形式输入
% Ki-刚度矩阵中被舍去的主元位置编号
% Mi-质量矩阵中被舍去的主元位置编号
% BCi-根据边界被舍去的位置编号
% SysDof-系统矩阵的大小
lengX=length(X);
lengCh3=length(Ch3);
lengCh2=length(Ch2);
lengCh1=length(Ch1);
X2=zeros((lengX+lengCh3),1);
Ch3=sort(Ch3);
i=1;j=1;
if lengCh3~=0
    for k=1:(lengX+lengCh3)
        if k==Ch3(j) & j<lengCh3;
            X2(k)=0;
            j=j+1;
        elseif i<=lengX
            X2(k)=X(i);
            i=i+1;
        end
    end
else
    X2=X;
end

X1=zeros((lengX+lengCh3+lengCh2),1);
Ch2=sort(Ch2);
i=1;j=1;
if lengCh2~=0
    for k=1:(lengX+lengCh3+lengCh2)
        if k==Ch2(j) & j<lengCh2;
            X1(k)=0;
            j=j+1;
        elseif i<=(lengX+lengCh3)
            X1(k)=X2(i);
            i=i+1;
        end
    end
else
    X1=X2;
end
Ys=zeros(SysDof,1);
Ch1=sort(Ch1);
i=1;j=1;
if lengCh1~=0
    for k=1:SysDof
        if k==Ch1(j) & j<lengCh1;
            Ys(k)=0;
            j=j+1;
        elseif i<=(lengX+lengCh3+lengCh2)
            Ys(k)=X1(i);
            i=i+1;
        end
    end
else
    Ys=X1;
end

点评

赞成: 4.0
建议LZ使用“<>代码”功能,方便大家复制运行程序代码。  发表于 2014-4-1 10:10
赞成: 4
感谢分享经验!!  发表于 2014-3-27 22:32
不错不错啊!鼓励一下!  发表于 2012-12-8 22:25

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 楼主| 发表于 2012-12-8 19:57 | 显示全部楼层
找到了一致质量单元矩阵,计算结果是正确的;只能认为计算频率的差异来源于采用集中质量矩阵带来的误差。

点评

赞成: 3.0
赞成: 3
  发表于 2014-4-1 10:10

评分

2

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 楼主| 发表于 2012-12-8 21:25 | 显示全部楼层
%协调一致矩阵
        disp('采用协调一致矩阵');
        m=zeros(12,12);
        mass=density*t*A/12600;
        m=[1727 466*b -461*a 613 199*b 274*a 197 -116*b 116*a 613 -274*b -199*a;
            466*b 160*b*b -126*a*b 199*b 80*b*b 84*a*b 116*b -60*b*b 56*a*b 274*b -120*b*b -84*a*b;
            -461*a -126*a*b 160*a*a -274*a -84*a*b -120*a*a -116*a 56*a*b -60*a*a -199*a 84*a*b 80*a*a;
            613 199*b -274*a 1727 461*b 461*a 613 -274*b 199*a 197 -116*b -116*a;
            199*b 80*b*b -84*a*b 461*b 160*b*b 126*a*b 274*b -120*b*b 84*a*b 116*b -60*b*b -56*a*b;
            274*a 84*a*b -120*a*a 461*a 126*a*b 160*a*a 199*a -84*a*b 80*a*a 116*a*a -56*a*b -60*a*a;
            197 116*b -116*a 613 274*b 199*a 1727 -461*b 461*a 613 -199*b -274*a;
            -116*b -60*b*b 56*a*b -274*b -120*b*b -84*a*b -461*b 160*b*b -126*a*b -199*b 80*b*b 84*a*b;
            116*a 56*a*b -60*a*a 199*a 84*a*b 80*a*a 461*a -126*a*b 160*a*a 274*a -84*a*b -120*a*a;
            613 274*b -199*a 197 116*b 116*a*a 613 -199*b 274*a 1727 -461*b -461*a;
            -274*b -120*b*b 84*a*b -116*b -60*b*b -56*a*b -199*b 80*b*b -84*a*b -461*b 160*b*b 126*a*b;
            -199*a -84*a*b 80*a*a -116*a -56*a*b -60*a*a -274*a 84*a*b -120*a*a -461*a 126*a*b 160*a*a];
        m=mass*m;
发表于 2012-12-11 21:33 | 显示全部楼层
头大啊 亲们 乃们说的啥
发表于 2013-3-28 11:12 | 显示全部楼层
请问为什么是先检查刚度矩阵的主元是否为0,然后施加边界条件,再次检查质量矩阵的主元是否为0,这是什么意思,我是在徐斌书上看到这个的,他那个好像有点小小的错误吧
发表于 2013-4-24 18:18 | 显示全部楼层
发表于 2013-7-15 20:21 | 显示全部楼层
谢谢啦  很详细   好好学习下
发表于 2013-11-25 08:26 | 显示全部楼层
好人 好好学习下
发表于 2014-3-27 20:17 | 显示全部楼层
请问如果加的不是静载荷,是集中力载荷该如何编程呢
发表于 2015-5-18 21:59 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享。
发表于 2015-5-19 08:33 | 显示全部楼层
根本看不懂啊!都是直接用ANSYS之类的软件做
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