自由阻尼层结构阻尼材料配置优化的拓扑敏度法

提出阻尼胞单元和阻尼拓扑敏度等概念，建立了基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则，并用于自由阻尼层结构振动控制中阻尼材料的配置优化。建立待控结构阻尼材料布局的拓扑基结构，计算各单元的阻尼拓扑敏度。再建立考虑重量目标及结构频响峰值约束的阻尼材料配置拓扑优化模型。根据所提出的阻尼材料拓扑优化准则，求解上述配置优化问题，确定阈值和各单元拓扑值。并用若干典型结构算例，验证所提出方法的正确性，讨论了阻尼材料布局拓扑基结构的规模与优化效率的关系。     

简谐激励下阻尼复合结构多尺度拓扑优化设计

目的 为得到抗振性能良好的板壳结构,保证设备的正常工作,文中提出一种板壳阻尼复合结构多尺度优化设计方法。方法 以动柔度为目标,建立频域激励下和固定频率点激励下板壳阻尼复合结构中阻尼材料宏观分布和微结构协同设计的多尺度问题的数学模型,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度,并基于移动渐近线法求解优化数学模型。结果 所提多尺度设计方法可以有效获得板壳结构最优阻尼材料宏观布局和最优阻尼复合材料微结构构型,提高了结构的动力学性能,同时结果也表明涂敷阻尼复合材料结构的振动响应相较于仅涂敷单一阻尼材料的振动响应大幅减小。结论 研究表明,不同激励频率下阻尼材料的宏观分布形态不同,阻尼材料主要分布于结构模态振型位移的最大处和支撑端,通过加强结构的刚度,抑制了结构变形,减小了振动响应。微结构构型基本类似,其基本形态都是低刚度、高阻尼材料呈条状分布,条状分布的阻尼复合材料微结构在受弯方向上的刚度较大,可以有效抵制结构的弯曲变形。     

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。     

基于阻尼层拓扑优化的车内噪声控制

首先建立了某车型声振耦合分析模型,并分析计算了车内噪声性能,获知了噪声异常峰值频率。接着对模态贡献量进行分析,确定了对车内噪声贡献量最大的模态阶次及其振型。然后以该阶模态振型最大节点处的频率响应最小化为优化目标,对车身壁板的阻尼层布局进行拓扑优化。最后,经过计算验证结果表明,优化方案使车内前、后排噪声下降10dB(A)以上。上述研究表明,该阻尼层优化方法可作为一种有效的车内噪声控制手段。     

随机刚架结构在平稳随机激励下的动力响应分析

文中研究了随机刚架结构的平稳随机响应问题。考虑结构物理参数的随机性，导出了结构在平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例考察了结构物理参数的随机性对结构动力响应均方值随机性的影响，并获得了若干有意义的结论。     

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。     

平稳随机激励下线性随机桁架结构动力响应分析

考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，从结构平稳随机响应在频域上的表达式出发，导出了随机桁架结构在平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例考察了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响，并获得了一些有意义的结论。     

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.     

演变随机激励下线性结构的非平稳响应特性

本文采用复模态分析法,考察了常参数线性阻尼系统在演变随机激励下的非平稳响应特性.得到了响应时变相关函数矩阵的闭式解.所得结果通用于经典阻尼与非经典阻尼情形.方法简便实用,它将非平稳随机响应问题归结为复代数运算.所附算例分别就演变随机激励与相应的突加平稳激励情形,对系统时变均方响应的结果进行了对比.     

约束层阻尼短圆柱壳拓扑优化分析及实验研究

针对约束层阻尼短圆柱壳拓扑优化问题,采用基于模态应变能法的渐进结构优化算法（ESO）,引入独立网格滤波技术, 通过灵敏度分析,用ANSYS的参数化设计语言APDL编写拓扑优化程序,获得一定约束层阻尼材料用量的约束层阻尼最优拓扑构形,并对约束层阻尼材料的优化布局进行实验验证。研究表明该拓扑优化方法正确,用于短圆柱壳约束层阻尼材料布局优化具有较强的工程实用性。     

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。     

不确定性简谐激励下连续体结构可靠性拓扑优化

针对不确定性简谐激励下连续体结构设计问题,提出了一种有效的考虑载荷振幅和频率不确定性的谐响应可靠性拓扑优化方法。建立了概率可靠性约束下结构体积比最小化的可靠性设计优化模型,其中极限状态函数定义为所关注自由度振幅平方和。利用伴随变量法推导了极限状态函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,采用功能度量法实现结构可靠性分析,并基于移动渐进线方法实现设计变量的更新。最后,通过3个数值算例及蒙特卡罗仿真,验证了所提方法对不确定性简谐激励下连续体结构设计问题的有效性和稳定性,并讨论了简谐激励的振幅大小和频率不确定性、可靠度指标及变异系数对优化结果的影响。     

圆形阻尼层合板的拓扑优化设计及其实验验证

以阻尼材料的用量为约束,以最大化结构损耗因子为目标,利用有限元方法实现了圆形阻尼层合板的拓扑优化设计。对优化前、后的圆形阻尼层合板进行振动实验,测试结果表明优化后结构的阻尼比是优化前结构的1.3倍。基于结构阻尼比和单位体积结构损耗因子均表示结构件标准化阻尼能力和单调变化相同的特性,以实测的结构阻尼比来表征单位体积结构损耗因子,验证了结构拓扑优化设计的有效性。即优化设计圆形阻尼层合板的构型能够有效地降低阻尼层的用量,提高阻尼层的利用率,增强结构的阻尼特性。     

平稳随机激励下非黏滞阻尼系统功率谱密度函数的灵敏度分析EI北大核心CSCD

功率谱密度(power spectral density,PSD)函数的灵敏度分析是实现结构系统在随机激励下梯度优化算法的基础。区别于黏性阻尼模型假设阻尼力正比于瞬时速度,非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点的时间历程相关,因而能够更准确地描述黏弹性材料的耗能特性。针对卷积型非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解问题,利用虚拟激励法(pseudo-excitation method,PEM)将平稳随机激励下非黏滞阻尼系统的随机响应问题等效转化为确定性的简谐响应问题;利用直接微分法推导出PSD函数的灵敏度表达式;分别引入基于复模态的一阶、二阶近似法和基于实模态的迭代法构建PSD函数的灵敏度算法;通过数值算例比较三种方法的计算精度和效率。结果表明,迭代法更适合大规模非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解。     

以动柔度为目标的结构阻尼材料层拓扑优化

为讨论附加阻尼材料层壳体结构在受简谐激励作用时阻尼材料最优分布,采用类似SIMP方法的人工阻尼材料模型构造拓扑优化模型。设计目标为给定阻尼材料用量最小化的结构动柔度,以阻尼材料相对密度作为设计变量。对结构呈现非比例阻尼特性,采用在状态空间下降阶后的复模态叠加法计算结构稳态响应及动柔度。优化过程中用伴随变量法对动柔度进行灵敏度分析。通过拓扑优化算例,验证所提模型及方法的合理性与有效性。     

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。     

基于非负声强的约束阻尼板拓扑优化研究

基于非负声强(non-negative intensity,NNI)对约束阻尼板声辐射问题作了分析及探讨,对约束阻尼板的阻尼材料的最优分布问题进行研究.使用非负声强识别结构表面对远场声辐射占据主要贡献地位的区域.使用固体各向同性材料惩罚(solid isotropic material with penalizatio...     

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。     

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。     

结构非平稳随机响应方差数值计算方法

对受非平稳随机激励的工程结构,建立了在任意调制的演变随机白噪声和有色噪声激励下,结构响应方差矩阵的计算方法.提出了矩阵微分方程的数值解法,首先将矩阵微分方程转换为普通的代数微分方程,再应用常规的ODE求解器进行求解.该方法可以处理任意调制的演变随机白噪声或有色噪声,原理简明,易于掌握和应用.文中介绍了相应的关键计算步骤.数值仿真算例显示了该方法的正确性和可行性.