圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化研究

采用渐进结构拓扑优化方法,以阻尼结构模态损耗因子最大化为目标,阻尼材料体积分数为约束条件,阻尼胞单元为设计变量,建立了圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化模型,对约束阻尼以及自由阻尼材料布局进行了拓扑优化。研究了阻尼结构模态损耗因子对阻尼胞单元位置的灵敏度,导出灵敏度计算表达式。根据渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态损耗因子达到最大化。给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化设计方法的正确性和有效性     

约束阻尼板的渐进法结构减振拓扑动力学优化

旨在为结构减振设计奠定一定基础,研究约束阻尼板减振优化问题。建立约束阻尼板动力学平衡方程,推导模态损耗因子计算模型。构建以模态损耗因子最大为目标,黏弹性材料用量及模态频率变动最小为约束的阻尼板拓扑优化数学模型,推导模态损耗因子灵敏度算式。引入渐进结构优化方法对约束阻尼板动力学优化模型进行求解,采用独立网格滤波技术,解决优化迭代中出现的棋盘格问题。编制阻尼板拓扑优化程序,实现约束阻尼板减振优化。仿真显示,与非优化删除方法相比,采用渐进拓扑动力学优化,更有利于实现黏弹材料优化布局,且模态频率变化比较稳定。对阻尼结构进行谐响应分析,以验证拓扑优化方法有效性,引入模态损耗因子体积密度指标以评价阻尼板减振拓扑优化性能。研究表明,若能实现结构模态损耗因子最大化,约束阻尼板减振效果明显。该方法对于约束阻尼板设计具有较强实用性,拥有较高的稳定性。     

车身地板阻尼材料的优化研究

基于材料优化的车内降噪和减振方法主要是通过提高阻尼材料的使用效率和铺设阻尼材料,减少车身接触点间的摩擦和碰撞。本文基于用DMA动态粘弹谱分析仪测出原车阻尼材料和几种不同黏弹性阻尼材料的损耗因子随温度和频率变化的关系。采用原车阻尼材料和一种损耗因子比较大的(Dy-1)阻尼材料在相同环境下进行车内噪声频谱试验测试,得到了降噪能力更强的抗振材料。同时基于有限元理论,通过拓扑优化方法和综合应变能方法对车身地板阻尼材料的布置位置进行优化。利用拓扑优化方法对车身地板第10阶模态下的损耗因子进行了优化,在使用了60%阻尼材料情况下,获得了和全铺阻尼接近的损耗因子。利用综合应变能方法,使用了全铺时40%的阻尼材料,得到了和全铺时接近的减振效果。     

约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明：双向渐进优化算法相比单向渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。     

低噪声圆锯片动态拓扑优化设计研究

为了降低金刚石圆锯片锯切噪声,提出一种适用于多约束条件下的圆锯片减振降噪动态拓扑优化设计方法。基于混合元胞自动机算法构建了低噪声圆锯片动态拓扑优化模型,以锯片减振降噪为设计目标,以锯切过程的锯切力、位移载荷响应为多约束条件,对优化模型进行计算分析,得到了满足刚度要求的最优开槽圆锯片,降低噪声5.1 dB。依据优化结果制备了开槽锯片,通过锯切实验,验证了优化结果的正确性。该方法为低噪声圆锯片的动态拓扑优化设计提供了新思路。     

约束层阻尼结构降噪性能的测试分析

约束层阻尼作为表面阻尼的一种方式,通常用于解决金属板状结构的振动和噪声问题。目前,通常采用阻尼材料的损耗因子、储能模量来评估材料的减振性能,但是这种方法不能直接有效地评估阻尼材料在实际应用中的所获得的减振降噪的效果。采用正弦扫描和类白噪声随机振动激励激振简支梁的方法,通过分析响应数据来表征约束层阻尼的减振降噪效果。     

约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化

旨在为减振设计提供理论基础,研究约束阻尼结构拓扑动力学优化。以阻尼材料用量、振动特征方程、模态频率为约束,以多模态损耗因子倒数的加权和最小为目标,建立了约束阻尼结构拓扑优化模型,引入MAC因子控制结构的振型跃阶。在引入质量阵惩罚因子基础上推导出优化目标灵敏度。考虑到优化目标函数的非凸性,采用常规准则法(OC)寻优可能会使拓扑变量出现负值或陷入局部优化,故引入数学规划移动渐近技术对OC法进行改进,从而将全体拓扑变量纳入改进算法的优化迭代全过程。编程实现了约束阻尼板改进OC法拓扑动力学优化并对改进法性能进行了仿真。结果显示,改进算法可得到更合理的约束阻尼层构形,可使结构取得更佳减振效果。研究表明,改进算法迭代稳定性更好、寻优效率更高、更具全域最优性。     

部分敷设阻尼材料的水下结构声辐射分析

基于统计能量分析（SEA）方法,分析了流场中部分敷设阻尼材料的有限长圆柱壳的声辐射特性,并进行了相应的声辐射试验测试。通过仿真结果与试验对比,验证了SEA方法在计算敷设阻尼结构的圆柱壳声辐射特性问题的有效性。在此基础上开展了部分敷设阻尼材料的水下结构辐射问题研究,分析了阻尼层敷设比例对水下结构振动与声辐射的影响;讨论了结构损耗因子对阻尼层减振降噪效果的影响。研究表明结构损耗因子对局部敷设于水下结构的阻尼层降噪效果有很大影响,本研究旨在为潜艇声学优化设计提供参考。     

基于阻尼材料拓扑分布的结构-声辐射优化

基于拓扑优化思想,提出一种人工材料假设,建立了阻尼材料铺设的拓扑优化数学模型。在阻尼材料用量一定的情况下实现阻尼材料最优分布,达到减振降噪之目的。采用遗传算法进行求解,进行了阻尼材料和人工材料的转换,实现了阻尼材料的拓扑优化。数值算例表明:所提方法在减振降噪设计中具有可行性和有效性,有较好的工程应用价值,可为阻尼材料的敷设提供一种可行有效的思路。     

基于优化准则法的自由阻尼材料拓扑优化

基于各向正交惩罚材料密度法法,建立了以自由阻尼结构模态阻尼比最大化为目标,以阻尼材料体积为约束条件,以阻尼材料单元相对密度为设计变量的拓扑优化数学模型。推导了模态阻尼比对阻尼单元相对密度的灵敏度和设计变量的更新准则,基于优化准则算法用MSC.Nastran的Direct Matrix Abstraction Program语言编制了通用的阻尼材料拓扑优化程序。以一铝板-声腔耦合系统为对象,以结构一阶弯曲模态阻尼比最大为目标,利用该拓扑优化程序和有限元分析方法对铝板上的阻尼材料进行优化布置,并用试验进行了验证。把铝板全阻尼处理和拓扑优化后部分阻尼处理的降噪效果进行对比,在仿真环境中,参考点处声压分别下降了110.6Pa和107.7Pa,在实验条件下,参考点处声压分别下降了22.47Pa和20.91Pa,从而验证了优化方法的有效性。     

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的 在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计.方法 以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型.结果 研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要.结论 通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计.     

车身结构阻尼材料减振降噪优化设计

本文针对某一乘用车车身结构振动引起的声辐射,建立了车身结构、声学空腔以及声固耦合有限元模型,分析了该乘用车车身的声固耦合特性。通过对车身各板件的贡献度分析,确定了对车内噪声贡献度最大的壁板。针对该壁板的阻尼减振降噪优化设计,建立了拓扑优化模型,采用渐进优化算法（ESO）,计算了阻尼材料的优化布局。研究结果表明：阻尼材料的优化布局使阻尼材料的使用率大大提高,50%的阻尼材料用量能基本达到全覆盖阻尼材料壁板的降噪效果,阻尼结构优化设计对车内噪声控制具有一定的理论指导意义。     

约束阻尼板结构振动声辐射优化

根据经典薄板理论,建立约束阻尼板有限元模型,将其视作镶嵌于无限大刚性障板,利用Rayleigh积分法推导结构的辐射声功率及灵敏度表达式。以一阶峰值频率或频带激励下的声功率最小化为目标,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立拓扑优化模型,采用渐进优化算法,编制了优化计算程序,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与全覆盖板及基板的辐射声功率进行了对比。研究表明：以声功率最小化为目标,对约束阻尼材料布局进行拓扑优化,能有效抑制结构的振动声辐射,为结构低噪声设计提供了重要的理论参考和技术手段。     

阻振质量-刚度-阻尼材料配置同步优化的基座声学设计

提出了一种通过配置阻振质量、优化构件尺寸和阻尼材料的基于声功率级约束的基座优化设计方法。不同于以往通过基座减振优化设计进而减小辐射噪声的方法,验证了基座声学优化设计对声隐身特性的直接效果。分别建立阻振质量单独优化、阻振质量-基座刚度同步优化、阻振质量-基座刚度-阻尼材料综合优化三种基座声学优化模型,比较了三种优化模型的优缺点。通过建立某算例基座声学动态代理模型,采用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络方法进行优化计算,得到满足设计要求的最优设计,拟合误差较小,结果较为可信。     

非平稳激励下薄板结构减振附加阻尼层的拓扑优化

讨论了附加阻尼层的薄板结构在非平稳随机力作用下以减振为目标的阻尼材料层的拓扑优化问题。建立了以阻尼材料的相对密度为设计变量,以结构非平稳响应位移方差最小化为目标和阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。由于结构受到非平稳随机激励作用,其随机响应可以采用时域显式法快速求解;随机响应方差对设计变量的灵敏度采用了基于伴随变量法的时域显式法进行分析,并采用优化准则法求解优化问题。数值算例验证了所提方法在非平稳随机激励作用下进行动力拓扑优化减振的可行性与有效性。     

Topology optimization of composite material plate with respect to sound radiation

In this paper, topology optimization of composite material plate with respect to minimization of the sound power radiation has been studied. A new low noise design method based on topology optimization is proposed, which provides great guidance for acoustic designers. The structural vibrations are excited by external harmonic mechanical load with prescribed frequency and amplitude. The sound power is calculated using boundary element method. An extended solid isotropic material with penalization (SIMP) model is introduced for acoustic design sensitivity analysis in topology optimization, where the same penalization is applied for the stiffness and mass of the structural volume elements. Volumetric densities of stiffer material are chosen as design variables. Finally, taking a simple supported thin plate as a simulation example, the sound power radiation from structures subjected to forced vibration can be considerably reduced, leading to a reduction of 20 dB. It is shown that the optimal topology is easy to manufacture at low frequency, while as the loading frequency increases, the optimal topology shows a more and more complicated periodicity which makes it difficult to manufacture.     

考虑瞬态响应的薄板结构阻尼材料层拓扑优化

讨论了敷设阻尼材料的薄板结构考虑瞬态响应时阻尼材料层的最优布局问题。基于SIMP方法构造人工阻尼材料惩罚模型和结构拓扑优化模型,以阻尼材料的相对密度作为设计变量,在给定阻尼材料用量的条件下,最小化结构瞬态位移响应的时间积分。由于结构整体呈现非比例阻尼特性,采用逐步积分法对结构的振动方程进行求解。通过伴随变量法得到目标函数对设计变量的灵敏度表达式,在此基础上采用基于梯度的移动渐近线方法求解。数值算例验证了优化模型与算法的合理性和有效性。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计

首先,提出了一种在结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路。在此基础上,结合ESO方法和应力灵敏度,建立了结构有限单元增、删的准则, 给出了一种新的拓扑优化算法。算例表明该方法能采用固定有限元网格中不同的初始优化结构就可获得优化拓扑。由于其概念上的简洁性和应用上的有效性,该方法具有一定的工程应用价值。