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。     

地震反应分析中Rayleigh阻尼系数的优化解

在进行多自由度粘滞阻尼体系的地震反应分析时,以结构位移反应峰值的误差为目标函数,建立了求解Rayleigh阻尼系数的优化方程。随后,以地震反应谱随阻尼比变化的经验公式为基础,形成地震反应谱导数的近似计算公式。从而形成一个仅需地震反应谱和结构模态分析成果,即可得到综合考虑结构动力特性、地震波输入方向和频谱特性的Rayleigh阻尼系数的计算方法。最后,任意选择10条地震波对一栋高层建筑进行地震反应分析,数值计算结果表明这一方法可有效地减少由阻尼引起的计算误差。     

A TWO-LEVEL DECOMPOSITION METHOD FOR SHAPE OPTIMIZATION OF STRUCTURES

The paper proposes a two-level decomposition method for shape optimization of structures. The optimization problem is divided into two subproblems on the basis of the different effects on structural behaviour of different kinds of design variables. A minimum mass subproblem is solved to determine the sizing variables and a constraint evaluation function based on norm optimization is minimized to determine the shape variables. An efficient coupling technique is used between the subproblems to ensure very rapid and steady convergence. Numerical results are presented to demonstrate the effectiveness of the method. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

钢和CFRP拉索的振型阻尼特性研究

应用非正交粘性阻尼理论和应变能比例阻尼理论,讨论了斜拉索振型阻尼比分布特征,通过与钢索实测值的对比,验证了粘性阻尼理论的适用性。在此基础上进一步比较了钢和CFRP拉索的振型阻尼比以及粘性减振器的阻尼效果。结果表明,由于初张力产生较大的势能,按应变能比例阻尼理论计算得到的拉索面外振型阻尼比不合理,且面内振型的阻尼比分布规律与实测值也不一致。根据实测结果推断得到的钢索粘性阻尼系数大约为10-4kN·s/m―10-3kN·s/m。拉索的垂度比对振型阻尼比影响显著,而倾角的影响不大。CFRP拉索的振型阻尼比大于钢索,且粘性阻尼器的附加阻尼效果较好。     

鲁棒优化设计方法在结构动力学中的应用

在传统的静力学鲁棒优化设计基础上,考虑时间t参数,通过优化系统目标函数和约束条件的鲁棒性,将鲁棒优化设计方法运用在动力学问题中。通过一个主系统的质量和刚度均有微小波动的二自由度模型减振器设计算例,与传统的优化设计方法相比,显示了鲁棒优化设计的优越性,能使结构具有更稳定的性能。     

结构动力鲁棒优化设计方法综述

如何提高结构动力学性能的鲁棒性,以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念,从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例,从结构的动力响应要求出发,采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明,基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案,在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后,对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。     

直接确定Rayleigh阻尼系数的一种优化方法

为避免构造Rayleigh阻尼矩阵过程中选择两阶参考振动模态的任意性,提出了一种直接确定Rayleigh阻尼系数的优化求解方法。在该方法中,利用输入时程的位移反应谱和模态分析结果,以结构某一动力反应的峰值误差构造目标函数,使目标函数取最小值即可得到Rayleigh阻尼系数的优化解。随后,以一栋5层剪切型建筑的谐振反应为例,系统研究了结构动力特性、激励空间分布和频谱特性对Rayleigh阻尼系数的影响。同时,验证所提方法的精度与有效性。     

汽车前部纵向冲击力学特性加权优化设计

本文以汽车行驶速度分布的实测数据为基础,在充分考虑汽车碰撞初速度对冲击危险程度的影响的前提下,构造了加权函数,采用幂级数与指数函数的复合函数,建立了满足定性分析要求的数学模型,利用外点罚函数方法,实现了汽车前部纵向冲击力学特性的加权最优设计。     

改进的响应面方法在二维连续体形状优化中的应用

在二维连续体结构形状优化中,采用响应面方法近似求解约束的敏度来建立模型:根据结构分析的响应值,可以拟合出复杂响应对设计变量的显函数。为克服各试验点的拟合值与结构真实响应值之间的误差,发展了一种在中心试验点精确拟合的方法,提高了模型的精度,收到了良好的效果。     

线性定常系统电网络阻尼特性研究

用基于李亚普诺夫定理推导出的综合阻尼系数方法研究分析了四阶线性系统电网络阻尼特性，对其电路的动态特性进行了仿真计算，认为其方法是合理的、可行的，可以用以研究电力系统动态过程振荡稳定性问题。     

ON THE AUTOMATIC SELECTION OF REANALYSIS TECHNIQUES IN MACHINE TOOL STRUCTURAL ELEMENT OPTIMIZATION

Structural reanalysis technique methods are employed in structural optimization to analyze new designs efficiently using previous information. In this paper, an algorithm is developed to automatically select proper reanalysis techniques for efficient and accurate analysis during the machine tool structural element optimization process. This algorithm provides an error estimator to control the solution accuracy and a reanalysis capability to eliminate the problem dependency of using a single reanalysis technique. An example is used to demonstrate the advantage of this algorithm over the complete (exact) analysis or single reanalysis technique.     

一种多自由度阻尼体系动力问题的高阶分析方法

传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式,需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果.该文将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形,发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法.将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段,基于多自由度体系动力响应积分解,以精细积分法结合秦九韶算法计...     

SMA混杂复合材料单层的被动阻尼

由形状记忆合金纤维、普通纤维、基体构成的混杂复合材料是一类用途广泛的智能材料结构系统。阻尼性能研究是结构被动振动控制的一项重要研究内容。本文采用混杂复合材料阻尼预测的细观力学理论计算SMA纤维混杂复合材料单层的阻尼特性。首先计算包含普通纤维和基体材料的复合材料介质的阻尼性能,其次计算由横观各向同性介质和SMA纤维构成的混杂材料的阻尼性能。通过计算实例分析SMA纤维混杂复合材料单层的正轴阻尼特性及其偏轴阻尼的特性随SMA纤维体积含量、纤维铺设角等参数改变的规律。     

层压减振复合钢板的拉伸剪切特性

本文选用1.67×10-2、1.67×10-3、1.67×10-4、1.67×10-5s-1四种形变速率,在20～150℃试验温度范围内研究了用酚醛树脂氯丁胶作夹层的层压减振复合钢板的拉伸剪切特性。结果指出,在较低温度和较高形变速率下,层压减振复合钢板具有较高的拉伸剪切强度,其破坏形态呈高聚物撕裂和界面破坏的混合破坏特征;在80℃附近,拉伸剪切强度最低,其破坏形态为具有滑移特征的高聚物内聚破坏;在80～150℃温度范围内,随温度升高,拉伸剪切强度增加,这是由于高聚物夹层材料中的氯丁橡胶发生了交联反应的缘故。     

叠层复合材料方板多孔形状优化

采用一种无梯度仿生技术——基于等限制Tsai-Hill值准则的固定网格渐进优化方法(FGESO),研究了叠层复合材料方板在拉剪荷载时不同孔数、不同叠层构造条件下的最优孔形问题.在孔的周围不断把限制Tsai-Hill值小于删除标准的材料删除,直到稳定状态达到,然后提高删除标准继续迭代,直到达到指定的开孔面积.与传统渐进优化方法(ESO)的不同之处在于利用节点而不是单元的限制Tsai-Hill值来确定需要删除的材料,因此得到了比ESO更光滑的结果.例子证明了方法的普适性和有效性.还研究了两孔方板最优孔形的优化历程,结果反映了相邻开孔相互影响的一些规律.     

MULTIOBJECTIVE DESIGN OF A MARINE VEHICLE WITH AID OF DESIGN KNOWLEDGE

To generate the Pareto optimal set efficiently in multiobjective optimization, a hybrid optimizer is developed by coupling the genetic algorithm and the direct search method. This method determines a candidate region around the global optimum point by using the genetic algorithm, then searches the global optimum point by the direct search method concentrating in this region, thus reducing calculation time and increasing search efficiency. Although the hybrid optimizer provides cost-effectiveness, the design optimization process involves a number of tasks which require human expertise and experience. Therefore, methods of optimization and associated programs have been used mostly by experts in the real design world. Hence, this hybrid optimizer incorporates a knowledge-based system with heuristic and analytic knowledge, thereby narrowing the feasible space of the objective function. Some domain knowledge is retrieved from database and design experts. The obtained knowledge is stored in the knowledge base. The results of this paper, through application to marine vehicle design with multiobjective optimization, show that the hybrid optimizer with aid of design knowledge can be a useful tool for multiobjective optimum design. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

CFRP拉索阻尼特性实验研究和理论分析

为了掌握CFRP拉索的阻尼特性以及建立相应的评价方法,用自由衰减振动试验方法测试了CFRP索、钢索以及CFRP丝、钢丝的阻尼特性,并用能量耗散原理以及振动理论探讨了拉索的结构阻尼和空气阻尼计算方法。结果表明:钢索的阻尼变化与应变能的比例关系明显,实测阻尼值与应变耗能理论计算结果一致,而CFRP拉索的阻尼实测值与理论结果之间存在一定的差异。长度1.8m的单丝阻尼与对应的应变大小相关性不大,应变耗能理论不能评价其阻尼特性,支点产生的阻尼效果不可忽视。     

阻尼柔性连接TMD的最优动力特性

本文研究了阻尼柔性连接TMD在控制结构地震反应时的最优动力特性。基于导出的设置阻尼柔性连接TMD结构位移传递函数，建立了结构的动力放大系数（DMF）设计公式。于是TMD的优化准则可选为：最大动力放大系数中最小值的最小化（Min.Min.Max.DMF)。通过最优搜寻得不同刚度比R时TMD最优调谐频率比、最优阻尼比和相应的Min.Min.Max.DMF。为比较，阻尼刚性连接（R＝0）的TMD也被考虑。数值结果表明，阻尼柔性连接TMD的刚性比R最好取为0.5。因此，目前的研究拓宽了TMD的应用范围。     

副构架直线电机转向架车辆动力学及振动研究

为了改善直线电机车辆动力学性能,提出了在轴箱上增加副构架,建立了其整车动力学模型,并对有无副构架的两种车辆在一定速度下进行频域和时域仿真,计算了车辆主要振型和曲线通过的主要性能.结果表明存在副构架转向架的车辆其直线稳定性高,通过小半径曲线时与车辆轮轨磨耗相关的指数较小,当通过较大半径曲线时,性能比无副构架的车辆稍差,但绝对值保持在一个相对较低的水平.     

OPTIMAL DESIGN FOR NON-STEADY-STATE METAL FORMING PROCESSES—II. APPLICATION OF SHAPE OPTIMIZATION IN FORGING

This paper is the second part of a two-part article about shape optimization of metal forming processes. This part is focused on numerical applications of the optimization method which has been described in the first paper. The main feature of this work is the analytical calculations of the derivatives of the objective function for a non-linear, non-steady-state problem with large deformations. The calculations are based on the differentiation of the discrete objective function and on the differentiation of the discrete equations of the forging problem. Our aim here is to show the feasibility and the efficiency of such a method with numerical examples. We recall the formulation and the resolution of the direct problem of hot axisymmetrical forging. Then, a first type of shape optimization problem is considered: the optimization of the shape of the initial part for a one-step forging operation. Two academic problems allow for checking the accuracy of the analytical derivatives, and for studying the convergence rate of the optimization procedure. Both constrained and unconstrained problems are considered. Afterwards, a second type of inverse problem of design is considered: the shape optimization of the preforming tool, for a two-step forging process. A satisfactory shape is obtained after few iterations of the optimization procedure.