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.     

谐和激励下阻尼材料的配置优化

针对传统阻尼处理方式引入附加质量过大的弊端,利用拓扑优化技术研究谐和激励下阻尼材料配置优化问题。首先对谐和激励下自由阻尼板动态位移响应进行了灵敏度分析,并建立了阻尼材料配置优化模型,然后利用基于Kuhn-Tucker条件的优化准则法给出优化流程,并据此得到不同激励频率下以复合结构上某点位移响应幅值最小化为目标的受限质量阻尼材料最优配置构型。研究表明阻尼材料的最优配置构型与激励频率相关,优化阻尼材料配置方式,能够在附加质量约束条件下实现对振动的有效控制。对于附加阻尼结构轻量化设计具有一定的参考价值。     

考虑材料设计变量的圆形阻尼层合结构的 优化设计实验研究

在标准材料制备工艺条件下,可用材料的密度表征材料的微结构构型。基于该思想,以不同的阻尼层材料密度代表不同的阻尼层材料微结构,针对阻尼层的两种优化构型和优化前的构型,从材料和结构两个尺度层面,实验研究了实际工程中的一种圆形阻尼层合结构的阻尼比随阻尼层材料密度与阻尼层构型的变化。测试得到了给定阻尼层构型时,不同激励幅值和负载质量加载下,结构阻尼比随阻尼材料密度的变化曲线,以及给定阻尼层材料密度时,含有三种不同构型阻尼层的结构的阻尼比随载荷激励幅值的变化曲线。两尺度的实验结果表明:适当的材料设计和结构拓扑优化可以提高圆形阻尼层合结构的阻尼特性;同时也表明:满足工程要求的拓扑优化构型存在多个。     

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。     

磁致伸缩铺层阻尼板壳结构的振动分析

通过理论分析讨论了含磁致伸缩材料和黏弹性材料铺层的层合板壳结构的频率和损失因子。假设黏弹性层仅发生剪切变形, 对磁致伸缩层应用偏置磁场下的线性本构, 推导得到由磁致伸缩层、黏弹性层、复合材料基本层组成的约束阻尼薄壳结构的运动方程, 并求得结构振动频率和损失因子的解。对板、曲板等算例的计算结果表明, 用磁致伸缩材料作约束层可使层合结构损失因子提高。      

黏弹性复合材料阻尼板的振动特性

为深入探索黏弹性复合材料阻尼板的振动特性,基于复合材料力学理论、一阶剪切变形理论、分段位移模型以及哈密尔顿原理,推导了黏弹性复合材料阻尼板结构复数形式的振动微分方程。采用纳维法得到满足位移边界条件的理论解,通过有限元建模仿真对理论解进行验证。基于验证过的理论模型,进一步从理论上探索了黏弹性复合材料阻尼板振动特性随结构参数的变化规律。     

复合材料加筋结构的流固耦合振动及动力响应分析

本文通过引用阻尼单元刚度阵法,并用结构有限元与流体边界元相结合的方法对复合材料结构的流固耦合振动及动力响应问题进行研究,较好地反映了复合材料结构动力响应特征。采用修正的RITZ向量法和Newmark直接积分法求解振动及动力响应问题,避免了质量阵因附连水质量阵不对称而引起的求解困难。作为数值分析例子,文中分别计算了船体悬臂板与加筋板结构的自由振动与动力响应问题,并对一复合材料舱段进行了水下爆炸当量载荷的振动与响应计算。     

频率相关自由阻尼层复合材料加筋板动力分析

采用子空间迭代法和精细积分对敷设粘弹性阻尼层的含损伤复合材料加筋板结构进行了频率和动力响应分析。分析中对层合板和层合梁采用了Adams应变能法与Raleigh阻尼模型相结合的阻尼矩阵构造方法;对表面粘弹性阻尼材料则考虑了材料性质和耗散系数对激振频率与温度的依赖性,建立了频率相关粘弹性材料阻尼矩阵的计算方法。通过有限元分析,分别研究了敷设自由阻尼层无损伤和含分层损伤复合材料加筋板的自振频率和模态特征,并根据幅频曲线讨论了阻尼材料模量、耗散系数和阻尼层厚度等因素对结构响应的影响,提出的计算方法对通过合理选择阻尼层材料与几何参数来有效地控制加筋板结构的振动特性,具有一定的参考价值。     

阻尼层合板中波传播性能研究

最近许多约束阻尼复合结构的研究中,阻尼层一般都选用粘弹性材料,由于粘弹性材料的刚度一般远小于约束层和基层的刚度,所以大部分研究都在计算和建模时,忽略粘弹材料的弯曲刚度,而不考虑阻尼层的外延和弯曲变形的影响。应用高阶理论研究了敷设具有一定刚度的蜂房型粘弹性材料的约束阻尼层合板结构动力学方程,探讨了复合层合板梁在振动情况时材料的弯曲刚度,剪切刚度对弯曲波在复合梁中传播的能量损耗影响,以及各层厚对层合板梁的阻尼性能的影响。     

壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响

研究了不同壳间连接介质的加筋双层壳的振动声辐射特性.基于Flügge壳体理论和Helmholtz波动方程,求解了双壳体声-流体-结构耦合方程,计算了有限长双层壳体在径向点激励下的声功率和振动速度级.结果表明,水层的耦合作用随频率的增高而降低,托板的耦合作用随频率的增高而增加,托板在内、外壳的振动传递中起着较大的作用.为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了阻尼托板结构,即在托板上添加阻尼材料,对含阻尼托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究.结果表明,在中高频段,阻尼有效抑制了振动能量的传递,壳体的辐射声压明显降低,这对水下结构的减振降噪设计具有重要的参考意义.     

基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性

在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。      

纳米SiO_2对混凝土材料阻尼性能的改良研究

利用自主开发的三点弯曲梁阻尼测试装置对不同掺量纳米SiO2混凝土的阻尼性能进行了测试,通过X射线衍射仪和扫描电镜研究了不同掺量纳米SiO2对混凝土微观结构的影响,并对其阻尼增强机理进行了初步探讨。结果表明纳米SiO2掺量为4%时混凝土材料的损耗因子最大,为素混凝土的2.41倍,综合考虑成本、流动性、强度和阻尼等因素确定纳米SiO2的最优掺量为3%;纳米SiO2掺入混凝土中后,与之发生二次水化反应,使得混凝土中六方板状Ca（OH）2晶粒数量减少;纳米SiO2对于混凝土的阻尼增强机理在于纳米SiO2的掺入使得混凝土材料的内接触面数量增多,在外力作用下使应力不均匀分布增加,从而提高了材料摩擦阻尼耗能的能力。     

Parametric study on design of composite–foam–resin concrete sandwich structures for precision machine tool structures

In this paper, sandwich structures for micro-EDM machines are optimized by using parametric study varying composite geometries and parameters like stacking sequence, thickness and rib geometry. The structures are composed of fibre reinforced composites for skin material and resin concrete and PVC foam (Closed cell, Divinycell) for core materials. Column structure was designed by a beam with cruciform rib and performance indices such as static bending stiffness (EI) and specific bending stiffness (EI/ρ) for dynamic stability are examined by controlling the thickness and stacking sequence of composites. For the machine tool bed, which usually has a plate shape, was designed to have high stiffness in two directions at the same time controlling stacking sequence and rib geometry; that is, rib thickness and number of ribs. The sensitivity of design parameters like rib thickness and composite skin thickness was examined and the optimal condition for high stiffness structure was suggested. Finite element analysis was also performed to verify the static and dynamic robustness of the machine structure. L-shaped joint for combining bed and column of the micro-EDM machine was proposed and fabricated using adhesive bonding. The dynamic performance such as damping characteristics was investigated by vibration tests. From the results optimal configuration and materials for high precision micro-EDM machines are proposed.     

新型竖向电涡流-磁力混合阻尼装置试验研究

针对大跨轻质结构的减振需要,研制了一种新型竖向电涡流-磁力混合阻尼器样机.介绍混合阻尼器的减振原理及振动方程;接着介绍了3种不同的磁路设计和制作过程;随后对样机进行试验,测量其动力参数和减振性能.结果 表明:在铜板后方和底板上方安装磁铁均能改变阻尼器的附加刚度;特定磁路设计减少电涡流阻尼系数,增大等效磁力阻尼系数和负刚...     

Why are designers fascinated by flax and hemp fibre composites?

Flax and hemp fibres have been increasingly used as reinforcement in polymer composites. First, an overview is given of the technical arguments which convinced designers of consumer goods to use these fibres. In particular, their composites show higher specific stiffness than glass fibre composites in both tension and plate bending and only slightly lower values than carbon fibre composites in plate bending. Moreover, flax and hemp fibres possess a much higher vibration damping capacity, making them excellent candidates for applications in sporting goods or musical instruments. Secondly, the paper describes how designers relate to the non-technical characteristics of these natural fibres. Many concrete examples are given from different application domains in consumer goods: sports, mobility, music and sound, furniture and interior design. The fascination of designers for these bio-based materials combined with the recent introduction in the market of new, composites-oriented preforms of flax and hemp fibres, is rapidly increasing the number and variety of composite products using flax and hemp fibres as reinforcement.     

随机激励作用下硬涂层薄板振动有限元分析及减振预估

硬涂层减振是一项新兴的阻尼减振技术,硬涂层复合结构在随机激励载荷作用下的振动特性建模与分析方法还未开展研究.将有限元建模方法和虚拟激励法(pseudo excitation method,PEM)相结合,实现了随机激励作用下硬涂层悬臂薄板结构振动建模及减振性能预估.首先,基于等效单层法创建了双面涂敷硬涂层的薄板结构振动...     

共固化阻尼复合材料研究进展

文中综述了共固化阻尼复合材料结构近年来的研究成果,包括共固化阻尼复合材料结构的共固化工艺类型、黏弹性阻尼材料的选择范围,并对阻尼薄膜的制作工艺、阻尼薄膜的结构以及处理方式行了概括。此外,对环氧树脂基与双马树脂基共固化阻尼复合材料的实验方法、数值模拟及理论分析做了总结,最后对共固化阻尼复合材料结构存在的不足及未来的发展趋势进行了展望。提出未来应用中需要继续研究解决的问题,以上工作对于深入探索大阻尼高刚度复合材料构件具有一定的参考意义。     

锆钛酸铅/聚苯胺/聚氨酯三元阻尼复合材料

为减少压电陶瓷/导电填料/聚合物阻尼复合材料中填料的含量,制备了锆钛酸铅(PZT)/聚苯胺/聚氨酯三元复合材料,其中,聚苯胺(PANI)通过原位聚合的方法包覆于压电陶瓷粒子的表面.采用FTIR,TGA,SEM、EDS研究了PANI包覆PZT的组成和形态.用DMA评价了复合材料的阻尼性能.结果表明,通过原位聚合的方法能够制备PANI包覆的PZT粉末;三元复合材料的阻尼性能与PANI的导电率有关,在一定的PANI导电率时达到最大,并且在任意导电率下均高于单一聚氨酯.用PANI包覆的压电陶瓷与聚合物复合,能够提高聚合物的阻尼性能.通过调整PANI的导电率,可以使材料的阻尼性能达到相应振动频率下的最大值.