基于ESO和GA的约束阻尼板声辐射优化设计

采用有限元法,建立约束阻尼板的动力学模型;结合瑞利积分方程推导板结构的振动辐射声功率。建立以辐射声功率最小化为目标函数,以约束阻尼材料布置位置和厚度为设计变量的约束阻尼结构声辐射优化模型。提出基于渐进优化算法(ESO)和遗传算法(GA)的约束层阻尼板振动声辐射的分层优化设计策略,获得约束阻尼材料的位置和厚度优化配置。结果表明:在保持附加质量不变的条件下,以约束阻尼材料布置位置最优的约束阻尼板为初始结构,对各区域约束阻尼材料的厚度重新配置,能够获得更好的结构振动辐射声功率的控制效果。     

基于声辐射模态的粘弹性阻尼板声功率最小化研究*

为了减小薄板结构振动辐射的噪声,在重量约束下进行了声功率最小化研究。利用有限元振动模型来处理结构振动环节,利用声辐射模态模型来处理声辐射环节,用可行方向法进行了优化设计研究。以一矩形粘弹性阻尼板为例,得到了阻尼重量约束下板的声功率最小化模型,结果表明在满足重量约束条件下能够达到明显的降噪效果。     

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 penalization, SIMP)方法进行密度插值,建立以阻尼材料相对密度为设计变量,以阻尼材料的体积占比作为约束,以声辐射贡献最小为目标函数的优化模型,采用移动渐近算法求解优化模型。以四边固支板为例,分析平板振动表面对远场贡献显著的区域,对阻尼材料的分布进行了优化设计。算例结果验证了基于非负声强的拓扑优化算法在降噪优化设计中的有效性,同时具备改变结构振动辐射模式的潜力。     

指定频带简谐激励下约束阻尼结构拓扑优化

针对指定频带简谐激励下约束阻尼结构拓扑优化问题,建立以共振峰值平方最小为优化目标,约束阻尼材料用量为约束条件的约束阻尼板拓扑优化模型。优化过程中考虑约束阻尼结构改变对结构阻尼影响较大,将模态阻尼比灵敏度引入优化目标的灵敏度计算中,使优化目标灵敏度计算更准确合理。用渐进优化算法求解拓扑优化模型。给出数值算例,并实验验证优化模型及灵敏度分析方法的有效性。     

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。     

附加自由阻尼板阻尼材料降噪拓扑优化

对附加自由阻尼的板件结构,考虑粘贴阻尼材料前后,中性面位置的变化,利用Matlab编程建立自由阻尼板有限元模型,并利用Rayleigh积分法推导了薄板结构的辐射声压表达式;以辐射声场内某点的声压最小为目标,阻尼材料的体积为约束条件,建立拓扑优化模型。以悬臂板结构为例,编写了拓扑优化程序,利用渐进结构优化算法,获得了阻尼材料的最优布局,并与以模态损耗因子最大为目标的拓扑优化结果进行了对比。结果表明:在主要关注目标是结构的声学性能时,直接以声压为目标的优化方法比以模态损耗因子最大为目标的优化方法更有针对性,效果更好。利用实验对仿真结果进行了实验验证。     

圆柱壳振动控制中约束阻尼拓扑优化研究

基于RAMP(Rational Approximation of Material Properties)插值模型密度法,以结构模态损耗因子倒数最小化为优化目标、阻尼结构体积为约束条件、约束阻尼单元相对密度为设计变量,建立约束阻尼结构拓扑优化模型。基于优化准则法推导设计变量更新准则,结合有限元法编写约束阻尼材料拓扑优化程序,对圆柱壳在振动控制中约束阻尼结构进行拓扑优化分析。结果表明,基于优化准则的振动拓扑优化方法所需迭代次数少,能有效减少结构的振动响应。从而验证设计方法的有效性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

加筋圆柱壳声辐射特性研究及声学优化设计

为研究全频段加筋圆柱壳声辐射特性,基于VA-ONE建立FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法低中高全频段的计算模型,并进行加筋圆柱壳辐射声功率的计算,从结构固有模态角度研究了各阶模态的声辐射效率。结果表明,加筋能够减小圆柱壳结构的总体辐射声功率,尤其可以减小低频段的辐射声功率;在中低频区,各阶模态的模态辐射效率具有较大差异,在中高频区,则相差不大。进一步研究了激励位置、壳厚、材质及辐射介质对加筋圆柱壳声辐射特性的影响。为减小加筋圆柱壳对外场点的辐射声功率,基于NCT模块及Design Optimization模块进行声学优化设计,结果表明,将GA算法与SQP算法或MMA算法组合使用不仅可以减少运算时间,而且可以获得较好的优化方案。     

轻质弱辐射的阻尼夹芯复合材料圆柱壳的优化设计

基于三维弹性理论,对阻尼夹芯复合材料圆柱壳在简谐点力作用下的振动声辐射进行优化研究。建立了以总质量、基频和模态阻尼为优化目标的多目标函数优化模型,对纤维层和芯层厚度分布和铺层方式进行优化设计;经与其他文献及"有限元+边界元"法得到的结果对比,验证了三维弹性理论的计算结果的有效性;分析了三明治夹芯圆柱壳的振动和声辐射的影响因素,发现芯层中面线位置高于整壳中面线时有利于提高基频,降低声辐射功率;且随着铺层角的增加,固有频率呈抛物线型变化趋势,模态阻尼比则逐渐减小。经优化设计,声功率一阶共振频率向高频方向偏移20 Hz,最大声功率降低11.66 dB,200 Hz以下的低频段,声功率峰值密度明显降低。