oreo：用于大振幅振荡分析的R软件包

软件X 15（2021）100769原始软件出版物oreo：用于大振幅振荡分析的R软件包Giorgio Lucianoa，Serena Berrettab，Kristian Hovde Lilandc， Gavin J. Donleyd，Simon A.罗杰斯daCNR-SCITEC，Via De Marini 6，16149热那亚，意大利bCNR-Imati，Via De Marini 6，16149热那亚，意大利c挪威生命科学大学，科学技术系，NO-1432 Norwayd伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国伊利诺伊州厄巴纳ar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年3月29日收到2021年7月13日收到修订版，2021年保留字：LAOS（大幅振荡剪切）流变学粘弹性材料Ra b st ra ct用于分析大振幅振荡剪切试验的非线性流变数据的专用软件并不普遍。现有的开放源代码插件通常基于专有的元语言。R环境中的软件包的可用性可以帮助研究人员依赖于自由开源软件可复制的工作流程。在这种情况下，我们已经开发了软件包oreo，它能够使用物理过程序列（SPP）框架分析流变测量数据，该框架允许在单个统一框架内理解版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00058法律代码许可证GPL-2软件代码语言、工具和服务使用R编译要求，操作环境依赖R不需要编译;配置：gridExtra、ggplot2、openxlsx、工具、光谱、pracma、fftwtools、刻度如果可用，链接到开发人员文档/手册https://cran.r-project.org/web/packages/oreo/oreo.pdf问题支持电子邮件serena. ge.imati.cnr.it1. 动机和意义许多工业、环境和生物应用涉及使软材料在短时间尺度上经受强流动的间隔，其中一般来说，软物质科学家，特别是流变学家，都试图以可控和可重复的方式研究这些非线性材料行为。为此，大振幅振荡剪切（LAOS）已成为非线性流变学的理想测试，因为时间尺度可以通过所施加的角频率进行调整，并且可以通过改变流动的振幅来改变流动强度[2，3]。LAOS在食品科学中发挥着重要作用，如Joyner [4]的综述所总结Cho [5]报告说，LAOS方法在各种领域都很受欢迎*通讯作者。电子邮件地址：kristian. nmbu.no（Kristian Hovde Liland）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100769从聚合物链或长链分支的非线性结构到胶体系统的应用，材料表征领域。尽管大振幅振荡剪切（LAOS）流变响应分析软件很受欢迎，但它几乎没有免费和开源的软件（Reptate [6] RHEOS，[7]），也有基于专有框架的开源软件（MITLAOS [8]，SPP软件[9]）。R环境中的软件包的可用性可以帮助研究人员依赖于自由开源软件（FOSS）可复制的工作流程[10]。在这种情况下，作者开发了包奥利奥。2. 软件框架大振幅振荡剪切（LAOS）是流变学和材料科学领域中的一种成熟技术，用于研究一系列流动强度和时间尺度的影响及其对流变学的影响。2352-7110/©2021作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxGiorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007692= −||Gt+BGt+γσG（t）=−Bγstec/ω（t）对材料响应的影响。在这种情况下，Rogers等人[9，11，12]提出了一种稳健的方法，将对大应变输入的应力响应视为一系列物理过程（SPP）。SPP框架克服了基于傅立叶变换的分析中遇到的重大问题，并已被用于研究广泛的软材料。SPP框架背后的关键思想是，定义粘弹性的动态模量不需要在整个测试中保持恒定，并且一旦在线性状态中存在变形，它们的值在振荡周期的过程中瞬时变化。SPP框架通过利用来自微分几何的轨迹数学来定义两个瞬时模量首先，测量的材料响应被视为三维变形空间内的轨迹。例如，参见[12]的图3。该框架使用Frenet-Serret框架（FSF）或切线-法线-副法线框架（TNB框架）的数学定义密切平面的方向，任何轨迹的完整描述需要关于密切平面的位置以及平面的方向的信息，如Rogers [ 9 ]中所讨论的因此，SPP在理解LAOS方面是独一无二的，因为它定义了第三个瞬时参数，称为位移应力（σd），它说明了平面的位置：σ=G′tγ+G′t′γstec/ω+σ d。（五）为了确定所需的位移应力形式，平面方程的点法线形式变得有用， 因为副法线向量根据定义垂直于密切平面：Bx（x−Ax）+By（y−Ay）+Bz（z−Az）=0（6）SPP分析确定密切平面沿应力轴的位置，因此习惯上将平面的x和y分量设置为零并求解：[12，13]，以跟踪通过变形空间的轨迹的差分运动。该框架将轨迹的运动分解为三个正交向量：切向量，Bγ=Bσ+Bγstec/ωBσγstec/ω + σ。（七）表示轨迹的当前方向;法向量，表示该方向如何变化;以及副法向量，表示切线将这种形式的位移应力代入方程：（5）导致可以如下重新排列的轨迹的描述：和法向量。从当地的情况来看，位于由切向量和法向量定义的平面这个平面叫做密切平面。副法线向量在这里-（′Bγ）σ（Bγstec/ω）Bσ前垂直于密切平面，并定义其方向，也就是轨道的变化 这些载体完全根据Eq。因此，SPP框架将瞬态模量定义为：定义各种SPP分析指标。2.1. 理论′Bγ（t）tBσ（t）G′′（t）= −（九）（十）tBσ（t）现在将介绍物理过程序列框架的基本概念。这里讨论的度量的完整推导和讨论可以在Rogers [9]中找到。在完全定量的SPP方法中，材料A= [AγAγstec/ωAσ] = [γ0sin（ωt）γ0cos（ωt）σ（t）]除了定义瞬态模量外，SPP框架还提供了它们的导数的明确定义，这些导数不仅可以用于告知研究人员响应是软化、硬化、增厚还是变薄，还可以告知何时以及变薄多少。瞬态模量的导数具有比瞬态模量本身稍微更复杂的形式，并且需要主法向量、副法向量和= [γ（t）γstec（t）/ω σ（t）]。（一个）扭转（τAstecNB），它从几何上告诉我们密切平面绕切线给定的轴旋转轨迹可以用一组三个正交向量来描述，这三个正交向量分别称为切线（T）、主法线（N）和副法线载体：Gstec′=τ |As t e c |（Nγ−BγNσ）（11）Bσ（B）载体。切向量指向instan方向运动，以及方向Bσ2关于正切的导数：Gstec′′=τ |As t e c |（Nγstec/ω−Bγstec/ωNσ）。（十二）BTAstectBσ2为|Astec|（二）Tstec（3）|Tstec|在这里，我们使用点符号来表示相对于时间的微分切向量和主法向量跨越密切平面，密切平面可以被认为是轨迹位于局部尺度上的平面。副法向量由切线向量和主法向量的向量叉积给出，因此定义密切平面的方向：B=T×N（ 4）SPP框架定义了两个瞬时模量（G′t和G′t′），它们是表示轨迹在变形空间中的而瞬态模量N=γ+γ stec/ω = 0。（八）σdGiorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007693≫不除了定义随时间变化的模量及其导数，SPP框架在振荡剪切分析技术中是独特的一种不能用模量表示的屈服应力。虽然密切平面的方向给出了关于局部模量的信息，但其位移包含关于应变平衡位置和屈服应力的信息。位移应力，定义为方程。（7）在物理上被解释为等于σ d（t）=σy（t）−G′t（t）γeq（t）=σ（t）−G′t（t）γ（t）+Gt′′（t）γstec（t）/（ω）（13）当响应主要是弹性时，G′t（t）G′t′（t），等式（1）中表示的等式（13）可以简化为σ（t）γ（t）−γeq（t）=G′（t）（14）Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007694·====·==图1.一、使 用 o r e o 软 件 包 进行数据处理和分析的 浮 动 图 。允许直接确定平衡位置，因此也允许确定应变的可恢复和不可恢复分量。2.2. 输入数据要求为了使oreo代码正常工作，输入应该以逗号分隔的变量文件（.csv）的形式提供。所有数据应按列方向排列。对于应变控制测试，文件必须按顺序包含以下数据：时间、应变、应变率和剪切应力，以输入到RPPread函数。应力控制实验的尺寸和数据的完整讨论见[9]的附录1每个柱的优选单位如下：时间[s]、应变[-]（应变单位）、应变速率[1/s]和剪切应力[Pa]。 如果数据中的单位与这些单位不同，则代码可以执行适当的单位转换。对于输入数据，整数个周期必须由每个周期的偶数个数据点在oreo包中，提供了三个示例文件.csv，其中包含格式正确的输入数据（0010.csv、0100.csv和1000.csv）以供参考。这些文件包含Giesekus模型在角频率ω 3下对不同外加应变振幅的响应数据。16rad/ s。所有文件的模型参数为λ11 s，ηs0。01Pa s，ηp0的情况。01 Pa s，α 0. 3.数据分为四列：时间（s）、应变（-）、速率（1/ s）和剪切应力（Pa），如应变控制试验所需。文件0010.csv、0100.csv和1000.csv的应变幅分别为γ010、100和1000应变单位其最 新版 本（ 1.0 ） 可从 Comprehen-sive R Archive Network（CRAN）http://CRAN.R-project.org/package=oreo该软件包安装到R软件中，在R终端中编写以下命令：安装. packages（然后，我们可以使用以下命令读取csv文件文件名=“/文件夹/子文件夹/0010.csv”dat<-read。csv（文件名，na.strings=“NA“，dec=“。“，header = TRUE）或直接使用保存的.RData格式的嵌入式框架。函数rpp_read将负责检查所需列的存在并重新排列文件rpp_read-function（文件名，selected= c（2，3，4，0，0，1，0，0））其中所选的=c（2，3，4，0，0，1，0，0）选项提供了原始数据中涉及应变、应变率、应力、弹性应力、粘应力、原始时间、原始应力、原始应变的列数在给出的例子中，我们有原始数据中的应变是第二列，应变率是第三列，应力是第四列，我们没有弹性应力也没有粘性应力，原始数据中的原始时间是第一列，最后我们没有任何列表示原始应力也没有原始应变。该函数实际上将作为输出给出[1]“缺少弹性应力”[1]“粘滞应力缺失”[1]“原始压力缺失”[1]“原始菌株缺失”在给定所需参数的情况下，可以使用以下命令调用用于确定SPP框架的数值和快速傅里叶变换（FFT）分解：时间波-df$raw_timeresp_wave<-data. 框架（df$应变，df$应变率，df$应力）#设置分析参数L =dim（df）[1]Ω =3.16M= 15K=8num_mode = 1p=1#使用fft方法分析数据out-rpp_fft（time_wave，resp_wave，L，omega，M，p）其中，参数定义为：每个测量点的时间的时间_波矢量，应变、速率和应力数据的resp_波矩阵，每行代表一个测量点，提取数据中的L个测量点，以（rad/s）表示的ω振荡频率，M是应力和SPP参数重建中使用的谐波数（如[12，14]中所述），以及exam中信号的p数值微分分析与fft输入的不同之处在于以下附加参数：k：数值微分的步长（正整数）和num_mode，其指示用于使用单个数字的数值微分的过程。第一个是它利用前向差分计算数据的前2*k个点的导数，利用后向差分计算最后2*k个点的导数，并利用其他位置的中心差分计算导数。第二种是这些假设允许通过在数据的两端循环来最 后 ， 该 软 件 包 提 供 了 创 建 CSV 格 式 和 Microsoft Excel（xlsx）格式摘要的函数它们可以被援引为：#以csv格式保存输出rpp_out_csv（out，“test2.csv”）#以xlsx格式保存文件rpp_out_excel（out，“test2.xlsx”）Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007695图二. 从应变控制实验的傅立叶分析中绘制的SPP度量，应力-应变图和应力-速率图中的蓝线表示分析后的重建信号。虚线表示轴和二等分。(For在该附图图例中，读者可以理解颜色的含义，请参阅本文的网页版本图3.第三章。SP P 度 量 的导数根据傅立叶分析绘制。Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007696图四、 根据傅立叶分析绘制附加SPP度量。其中OUT表示FFT或数值分析的结果。 该软件包还包括用于创建diagnostics图的函数，以及以下更多函数用于傅立叶分析（或微分数值）的SPP度量图。用于傅立叶分析的SPP度量图的导数（或微分数值）。来自傅立叶分析（或差分数值）的附加SPP度量绘图。根据傅立叶分析重建的波形比较图傅立叶分析应力响应的谐波图3. 说明性示例奥利奥包装的典型用法的浮动图见图。1.一、作为演示，我们将报告用于创建部分数据集和报告分析的通用脚本代码可以在附录A中找到。结果可以很容易地绘制与标准的R命令（图。 2）使用附录B中的命令。所得到的图形在图1A和1B中找到。 二三四五六4. 影响软件包oreo将允许研究人员分析他们的振荡流变学数据，而不需要与专有元语言相关的许可费。它将加快工作流程，让用户利用脚本语言。一旦实现，脚本可以在实验室中使用，并定期应用于收集的数据，将重点转移到对所获得的结果的分析上，而不是对其进行计算。该软件包在SCITEC“Giulio Natta”实验室中常规使用（并更新）分析食品和聚合物样品中的LAOS行为，允许通过自定义脚本合并来自不同仪器（供应商和型号）的数据。目前正在起草两份文件，其中包括为了推广它的应用，计划在国家和国际流变学大会上作报告。来自官方CRAN镜像的下载统计报告在撰写本文时（13/07/2021）下载了1359次。5. 结论在本文中，我们介绍了oreo，一个基于R的，灵活的，功能强大的集合，通过SPP框架分析流变数据。包装奥利奥是一个正在进行的项目。我们打算使用特定的体系结构（计算统一设备体系结构）来提高其性能，并通过实现计算切线-法线-二次法线帧（TNB帧）的其他方法来扩展其特性和功能竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢本材料基于美国国家科学基金会（批准号：1847389）和桑迪亚国家实验室的实验室指导研究与开发计划支持的工作。桑迪亚国家实验室是一个多功能实验室，由霍尼韦尔国际公司的全资子公司桑迪亚有限责任公司的国家技术和工程解决方案管理和运营。为美国国防部·····Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007697图五. 傅立叶分析的重建波形（红线）比较图。虚线表示输入值。 (For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版能源公司国家核安全管理局合同编号DE-NA 0003525。附录A. 脚本#使用fft方法out-rpp_fft（time_wave，resp_wave，L，omega，M，p）#使用数值分解进行#out-rpp_num（time_wave，resp_wave，L，omega，M，p）#以csv格式保存输出rpp_out_csv（out，“test2.csv”）#以xlsx格式保存文件rpp_out_excel（out，“test2.xlsx”）附录B. 密谋#使用基本绘图函数创建绘图#为每个绘图spp_data_in- out$spp_data_inspp_params- out$spp_paramsspp_data_out- out$spp_data_outfsf_data_out- out$fsf_data_out ft_out-out$ft_outtime_in- spp_data_in$time_wave strain_in-spp_data_in$strain应变率_in-spp_data_in$应变率stress_in-spp_data_in$应力Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007698输出时间-spp_data_out$时间波应变-spp_data_out$应变rate- spp_data_out$rate应力-spp_data_out$应力Gp_t<-spp_data_out$ Gp_tGpp_t<-spp_data_out$Gpp_tG_star_t<-spp_data_out$ G_star_ttan_delta_t-spp_data_out$tan_delta_tdelta_t- spp_data_out$delta_tdisp_stress-spp_data_out$disp_stresseq_strain_est-spp_data_out$eq_strain_estGp_t_dot<-spp_data_out$ Gp_t_dotGpp_t_dot<-spp_data_out$Gpp_t_dotG_speed-spp_data_out$G_speeddelta_t_dot- spp_data_out$delta_t_dotft_amp-ft_out$ft_ampfft_resp-ft_out $fft_resp<#第一个面板#基本SPP指标图windows（）par（mfrow =c（2，2））#应力-应变图plotStressStrain（stress，strain）#Stress-RateplotplotStressRate（stress，rate）Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）1007699见图6。傅 立叶分析中应力响应的谐波图。虚线表示输入值，而红色表示输入后的信号。分析.在“谐波数”图中，红色竖条突出显示数据分析中选择的谐波数。(For参考文献的解释要在此图图例中着色，请参考本文的网络版本#Cole-Cole plotplotColeCole（Gp_t，Gpp_t）# VGPVan Gurp-Palmen-plot plotplotVGP（G_star_t，delta_t）#第二面板# SPP指标速度图windows（）par（mfrow=c（2，2））#Cole-ColeplotplotColeCole（Gp_t，Gpp_t）#dG“_{t}/dt-dGplotSpeedGp（Gp_t_dot，Gpp_t_dot）#Speed-G“_{t}plotSpeedGpp（Gp_t_dot，Gpp_t_dot）#第三面板# SPP指标附加图windows（）par（mfrow= c（2，2））plotDeltaStrain（Gp_t_dot，Gpp_t_dot）# PAVv应变图plotPAV（Gp_t_dot，Gpp_t_dot）#位移应力图plotDisp（strain，disp_stress）#估计eq应变图plotStrain（strain，disp_stress）#第四面板# 波形比较windows（）par（mfrow= c（3，1））plotTimeStrain（time_wave，strain）#Rate-TimeplotplotTimeRate（time_wave，rate）#应力-时间图Giorgio Luciano，Serena Berretta，Kristian Hovde Liland etal.软件X 15（2021）10076910plotTimeStress（time_wave，stress）#应力的FT谱windows（）par（mfrow=c（2，1））plotStressTime（time_in，stress_in）#傅立叶谐波幅度图plotFft（ft_amp，fft_resp）引用[1] Larson RG.复杂流体的结构和流变学，第150卷。牛津大学出版社，纽约;1999。[2] 罗杰斯湾大振幅振荡剪切：描述简单，解释困难。今日体育2018;71（7）：34-40.[3] 作者声明：J.非线性振荡剪切流符号与表示的回 顾 ： 聚 合 物 液 体 。 Curr Opin ColloidInterfaceSci2019;43：26 -3 8 ， Ci t ed By ：14 .[4] 乔伊纳海峡非线性（大振幅振荡剪切）流变特性及其对食品加工和质量的影响。AnnuRev Food Sci Technol 2021;12 （ 1 ） ： 591-609. 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