隔膜抽气泵用三明治约束阻尼垫片减振特性分析

隔膜抽气泵在运转过程中会产生振动，使用阻尼垫片可以有效减小其振动。设计并制备了一种三明治约束阻尼垫片，其约束层使用铝合金，阻尼层采用黏弹性材料。通过时域和频域响应分析对比了三明治约束阻尼垫片安装前后隔膜泵的振动响应，发现该垫片能够以4 mm（或传统的1/10）厚度实现良好的减振效果，提高了系统的稳定性。与此同时，本文还从材料和结构的角度分析了三明治约束阻尼垫片的减振机理。     

数据驱动的指定变形非均质多胞结构优化设计

针对包含大量异质微结构的非均质多胞结构设计难题,提出了可指定结构变形方式的多胞结构宏微观优化设计方法。该方法在宏观结构设计中采用梯度类方法优化属性分布,引入可行性约束保证微结构确实存在,在微结构设计中引入数据驱动的方法,利用深度学习实现微结构逆向设计并映射到宏观结构,同时采用微结构偏移和兼容性算法解决相邻微结构连接不兼容的问题,最终通过指定变形问题的多个数值算例验证了该方法的有效性,并讨论了单元尺寸、微结构偏移次数以及微结构映射密度对结构性能的影响。建立的多胞结构设计方法引入数据驱动方法和考虑了微结构连接兼容性要求,成功实现多样化指定变形的非均质多胞结构优化设计。     

SIMP插值的约束层阻尼结构拓扑优化

针对约束层阻尼结构拓扑优化问题,采用SIMP插值模型和变密度方法,构建了以模态损耗因子为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。推导了模态损耗因子对设计变量的灵敏度表达式。采用优化准则法,计算了约束层阻尼的最优拓扑构型,给出了拓扑优化计算的流程。结果表明:采用该拓扑优化方法对约束层阻尼材料进行优化布局,能在减少阻尼材料用量的前提下,显著提高结构模态损耗因子,降低频率响应幅值。     

夹层阻尼结构抑振特性研究

利用等效复合刚度法,对多夹层阻尼结构的抑振特性进行了理论推导,并对不同夹层阻尼结构的等效复合刚度和损耗因子进行了仿真计算,分析了不同的夹层材料和几何参数对结构抑振量的影响。研究表明,增加多夹层组合结构的夹层层数对组合结构损耗因子的提高量有限;适当增加夹层的厚度可改善组合结构抑振性能;变化夹层的材料,采用较硬的约束层和较软的阻尼层可显著提高组合结构的抑振量。     

利用聚类分析的宏细观多尺度并行拓扑优化设计方法研究

多孔材料因为具有质量轻、比刚度和比强度大、隔振和隔热效果好等优点,越来越多的应用在航空航天和制造装备等领域。为充分发挥多孔材料的性能,本文提出同时考虑结构的宏观性能和细观微结构性能的多尺度并行拓扑优化设计方法,获得性能优良的多孔结构。论文采用聚类方法有效降低了计算成本,针对并行优化难收敛的问题提出改进模型,使迭代平稳收敛。最后以经典的悬臂梁、MBB梁和Michell结构为例进行优化设计,通过对宏细观多尺度并行优化结果的分析,验证了所提方法的有效性与正确性。     

考虑层间变形的约束阻尼圆柱壳振动特性分析

在约束阻尼减振结构中，中间的黏弹性层主要依靠基体及约束层的交错运动产生剪切变形而消耗能量，因而这种层间变形关系需要被有效引入以提升建模精度，为此采用有限元法对局部贴敷约束阻尼层圆柱壳进行了动力学建模方法研究。首先，基于Donnell''s薄壳理论，在考虑各层之间变形关系的基础上，推导了复合单元的刚度及质量矩阵；其次，构造了一种过渡单元来连接复合壳单元和仅有基体的单层单元，实现了局部贴敷约束阻尼层圆柱壳总刚度及总质量矩阵的有效组集；然后，在考虑复合圆柱壳弹性约束边界条件的基础上，确定了复合壳的运动方程，并给出了求解振动特性的公式；最后，进行了实例研究，通过与实验和ANSYS仿真结果的对比，验证了所提有限元模型的正确性，并进一步分析了约束层、阻尼层厚度变化对复合圆柱壳振动和阻尼特性的影响。     

基于可制造性约束的车身变截面梁关联优化设计

在车身主断面设计过程中,变截面梁的设计一直存在较多问题,其形状设计受到结构性能和可制造性因素的多重约束。文中对车身变截面梁的设计问题进行了研究,通过构造基于工程约束的形状优化关联设计变量,建立了车身薄壁结构的多截面关联优化设计算法,实现了考虑可制造性约束的变截面梁优化设计方法,还可支持多种材料设计。同时提出了适合工程优化的最优解选择评分公式,实现了最优解的自动选取。该方法既可以应用于正向设计过程中车身主断面的变截面梁轮廓线的确定,也可对现有梁的结构性能的改进优化,实现制造成本降低和车身轻量化设计。文中给出具体的变截面梁关联优化算法,并通过某车型B柱截面优化实例验证了该算法的有效性。     

基于ESO的约束阻尼板拓扑优化设计研究

基于渐进结构拓扑优化方法（Evolution Structural Optimization，ESO），以阻尼材料用量为约束条件、模态损耗因子最大化为目标函数，研究了约束阻尼板结构的拓扑优化设计问题，推导了灵敏度分析公式，给出了阻尼结构拓扑优化设计方法，得到了在一定阻尼材料用量下约束阻尼板结构的模态损耗因子最大的拓扑构形。该方法对于阻尼结构的优化设计有一定的意义，具有较强的工程实用性。     

基于轻量化与强度的短纤维复合材料蜂窝三明治板结构多目标优化设计

蜂窝三明治板在结构轻量化中得到了广泛应用,采用具有良好材料性能的短纤维复合材料替换铝蜂窝,能进一步满足轻量化需求.为了短纤维复合材料更好地应用,针对增大蜂窝三明治板抗拉强度要求,提出了一种增大面板与蜂窝粘接面积的结构设计方案.在有限元软件ABAQUS中建立了考虑损伤退化的短纤维复合材料蜂窝三明治板有限元计算模型,验证了设计方案的可行性.为了兼顾力学性能和减重要求,采用基于代理模型和多岛遗传算法的优化方法对蜂窝结构参数进行了多目标优化.分析结果表明,所建立的精细化有限元模型能够模拟三明治板的性能突降行为,基于代理模型高效准确的优化流程,优化后三明治板的面密度相比于优化前降低了30％,强度满足要求.     

基于轻量化与强度的短纤维复合材料蜂窝三明治板结构多目标优化设计

蜂窝三明治板在结构轻量化中得到了广泛应用,采用具有良好材料性能的短纤维复合材料替换铝蜂窝,能进一步满足轻量化需求.为了短纤维复合材料更好地应用,针对增大蜂窝三明治板抗拉强度要求,提出了一种增大面板与蜂窝粘接面积的结构设计方案.在有限元软件ABAQUS中建立了考虑损伤退化的短纤维复合材料蜂窝三明治板有限元计算模型,验证了设计方案的可行性.为了兼顾力学性能和减重要求,采用基于代理模型和多岛遗传算法的优化方法对蜂窝结构参数进行了多目标优化.分析结果表明,所建立的精细化有限元模型能够模拟三明治板的性能突降行为,基于代理模型高效准确的优化流程,优化后三明治板的面密度相比于优化前降低了30％,强度满足要求.     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料（FGM）结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚（SIMP）框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料（FGM的特例）为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。     

基于材料-结构协同设计的层合板多级优化方法

提出一种以材料参数与结构参数为变量的复合材料层合板多级优化设计新方法。以单层纤维含量、层厚和铺层角为设计参数,建立了刚度和强度约束下的结构减重设计模型,基于有限元分析,运用所提出的三级优化策略完成结构轻量化设计。本文给出了不同载荷类型和位移边界条件下层合板优化算例,设计结果验证了方法的有效性。     

识别黏弹性阻尼材料力学参数用约束阻尼试件设计方法

悬臂梁弯曲共振法识别刚度较低的黏弹性阻尼材料力学参数的实验中常以约束阻尼结构试件为实验对象,试件设计的合理程度直接关系到材料力学参数的测试精度。为了更好地指导试件设计,根据灵敏度分析法提出了影响系数的概念,并将其应用于分析试件的厚度比、共振频率比、密度比、损耗因子等参数的测量误差对黏弹性材料力学参数测试精度的影响中,进而为试件的设计提供了一些有重要工程价值的技术指标。最后,基于悬臂梁弯曲共振法实验理论,分析得到适合使用约束阻尼结构试件识别其力学参数的黏弹性阻尼材料。     

不同阻尼层材料对交替层合各向异性阻尼结构动态性能的影响

采用正交试验极差分析方法,研究了各阻尼层对7层各向异性交替层合阻尼结构阻尼性能和刚度的影响大小规律,并在此基础上就不同阻尼层材料对结构性能的影响进行探讨。结果表明：对于7层交替层舍的各向异性阻尼结构而言,对结构刚度影响最大的阻尼层为第4层,对结构内耗值大小与频率范围和温度范围影响最大的阻尼层分别为第2层和第6层;结构内耗的温频特性与各阻尼层材料及其厚度密切有关,一般第2层越厚,其内耗的频率特性越好。     

A lightweight design approach for an EMU carbody using a material selection method and size optimization

This study proposes a weight reduction design approach for urban transit carbody using a material selection method and size optimization. First, the material selection method, which uses specific stiffness and strength indices to predict the weight reduction rate, is set up when the materials of the under-frame and roof structure are substituted. The CFRP was chosen as the best weight reduction material in terms of the material selection method but was not appropriate for application to an urban transit carbody as a thin panel because of out-of-plane deformation. Therefore, we applied CFRP-AL honeycomb sandwich composites to the under-frame and roof structures, and the size optimization method was subsequently applied to derive a lightweight composite hybrid carbody design. Finally, the proposed approach was applied to an urban transit carbody, i.e., a Korean electrical multiple units carbody made of aluminum extrusion profiles. The weight of the optimized composite hybrid carbody design was 29.0% lighter than that of the original K-EMU. The resulting composite hybrid carbody design satisfied the design guidelines of the Performance test standard for K-EMU according to the corresponding FE simulations.

     

基于模态控制的结构/控制一体化优化设计

先分析了结构主动控制的模态控制。从结构与控制器一体化优化设计的角度出发 ,提出了以结构的质量和控制能量最小化为优化目标、以基频和结构的动响应为约束的联合优化设计模型。并对该优化设计模型进行了一定的简化处理 ,采用改进的拓扑组方法进行结构的集成拓扑优化设计。数值算例的结果表明 ,结构 /控制一体化优化设计是可行且有效的。     

Concrete-based constrained layer damping

This paper describes a novel structural damping method that allows a fabricated (welded) machine tool structure to be designed for minimum cost and maximum dynamic stiffness comparable to polymer concrete structures. The damping method is a constrained layer damping (CLD) design where the layers are replicated in place using expanding concrete inside of viscoelastic damping inserts. The novel design is highly flexible and economical while providing excellent damping for a wide range of structural shapes.     

基于渐进法的约束阻尼结构拓扑多目标动力学优化

为实现阻尼结构减振优化,从阻尼材料的力学本构出发,基于虚功原理建立了约束阻尼板动力学平衡方程,从阻尼耗能角度推导出模态损耗因子解析计算式。构建了以模态损耗因子最大且模态频率变动最小为目标、以阻尼材料用量为约束的阻尼板多目标优化数学模型。在对模态损耗因子及模态频率灵敏度进行推导的基础上,构建了归一化复合灵敏度算式,并引入拓扑渐进法求解优化模型。编制出阻尼板渐近法优化程序,并对阻尼板进行了优化仿真。结果显示,采用多目标拓扑渐进优化,既能大幅提高阻尼材料的减振效能,又能保证阻尼板频率特性的稳定,且可较大幅度地降低阻尼材料用量。对阻尼板进行了谐响应分析,验证了优化结果的有效性。该优化法在对结构动力学特性有严格要求的减振设计中存在应用前景。     

基于Taguchi方法的车门结构稳健性优化

以某桥车左前门为研究对象,将稳健设计方法应用于车门结构优化设计,运用Taguchi方法中的参数设计法进行稳健设计。将车门板件厚度作为控制因素,材料特性以及载荷作为误差因素,通过正交试验、SN比试验以及方差分析,找出对车门下垂刚度和一阶固有频率最敏感的控制因素,获得控制因素的最佳组合。算例结果表明,采用稳健设计方法,不仅可提高车门结构性能的稳健性,而且可减轻车 门的重量,具有较强的工程实用性。