粘弹性约束层阻尼结构拓扑优化设计方法

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粘弹性阻尼技术是现代工业领域中抑制结构振动与噪声的一种重要手段,利用该技术可以有效提高系统阻尼,抑制结构宽频振动噪声,达到显著的减振效果。一直以来对粘弹性约束层阻尼结构的研究主要集中在阻尼材料的整体敷设中,但已有部分研究表明,局部敷设时不仅会减轻结构总质量,甚至可以得到更好的阻尼效果,基于此,对结构表面敷设的约束层阻尼材料进行拓扑优化设计具有重要意义。  本文针对粘弹性约束层阻尼结构的拓扑优化设计方法进行研究,主要内容包括:  (1)基于复模量模型表征的粘弹性阻尼材料本构关系,建立粘弹性约束层阻尼结构的有限元模型,并对其固有频率、损耗因子和响应进行分析;通过算例分析和实验,验证所建模型的正确性;在此基础上,研究局部敷设阻尼材料对整体结构固有特性的影响。研究表明:对阻尼材料的使用量及其敷设位置进行合理优化,不仅可以提高其利用率,甚至会获得更好的减振性能。  (2)针对粘弹性约束层阻尼材料敷设形状与位置的优化问题,建立以模态损耗因子为目标函数的拓扑优化模型,基于模态应变能法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,采用滤波技术消除棋盘格式,以粘弹性约束层阻尼薄板结构为研究对象,基于渐进优化算法对阻尼材料布局进行优化,并通过实验分析,验证所得结果的正确性。  (3)基于变密度法建立粘弹性约束层阻尼结构的拓扑优化模型,采用优化准则法推导出Lagrange乘子的迭代公式,通过对移动极限常数和体积约束等参数的修正,实现对结构中约束层阻尼材料敷设形状及位置的拓扑优化设计,并通过实验验证得优化构型的正确性。研究表明:基于渐进优化算法和变密度法所得到的拓扑构型大体相近,且基于变密度法的拓扑优化设计具有更好的效果和更高的优化效率。  (4)针对某型号飞机的APU进气道壁板用粘弹性阻尼结构进行减振时,采用变密度法实现以进气道壁板前四阶模态损耗因子最大化为目标函数的拓扑优化设计。研究表明:与现有结构的减振效果进行对比分析,采用拓扑优化后的阻尼处理能够在一定范围内降低壁板结构的振动与应力水平,提高壁板结构的抗振动疲劳破坏能力。采用粘弹性阻尼技术还能够增加壁板加工经济性。
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