[發(fā)明專利]約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911075847.5
• 申請日: 2019-11-06
• 公開（公告）號: CN110909496B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張東東;陳靜月
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐穎

1.一種約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

1)約束阻尼結(jié)構(gòu)是在基板上鋪設(shè)約束層材料和阻尼層材料，建立約束阻尼結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型及振動聲輻射功率表征模型，離散化約束阻尼材料厚度參數(shù)獲得厚度向量參數(shù)；

2)以約束阻尼材料的布置位置和離散化的厚度參數(shù)為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)振動聲輻射最小化為目標(biāo)函數(shù)，給定第一級優(yōu)化約束阻尼材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為約束條件，建立約束阻尼材料布置位置和厚度協(xié)同優(yōu)化設(shè)計模型；

3)根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的單元應(yīng)變能分布和動能分布選取初始“種子單元”，在“種子單元”周圍按照設(shè)定規(guī)則選取“位置待選單元”，根據(jù)聲輻射功率靈敏度對所有“位置待選單元”進行排序，選取靈敏度最小的數(shù)個單元確定為“位置備選單元”；根據(jù)“種子單元”厚度更新后的聲輻射功率大小確定“種子單元”的最優(yōu)厚度配置，進而根據(jù)“種子單元”的聲輻射功率靈敏度確定“厚度備選單元”；進一步依據(jù)輻射聲功率的大小確定“位置備選單元”和“厚度備選單元”的優(yōu)先級，更新約束阻尼結(jié)構(gòu)配置，滿足終止條件得到第一級優(yōu)化設(shè)計的約束阻尼結(jié)構(gòu)；

4)以第一級優(yōu)化獲得約束阻尼結(jié)構(gòu)配置為初始結(jié)構(gòu)，以約束阻尼材料的布置位置為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)振動聲輻射最小化為目標(biāo)函數(shù)，給定第二級優(yōu)化約束阻尼材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為約束條件，建立第二級約束阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計模型；計算每個約束阻尼單元位置變量的聲功率靈敏度并修正，采用漸進優(yōu)化方法獲得約束阻尼結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化配置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟1)具體實現(xiàn)步驟：

采用四節(jié)點28自由度的約束阻尼復(fù)合單元，建立四邊固支狀態(tài)下約束阻尼結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)模型，約束阻尼結(jié)構(gòu)的有限元單元按位置順序進行編號，約束阻尼結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)方程如下：

式中X_F表示約束阻尼板有限元模型中各個節(jié)點位移構(gòu)成的廣義位移向量，每個單元由四個節(jié)點構(gòu)成，單元中心點是四節(jié)點單元的中心位置；M、K分別為約束阻尼板結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量矩陣和整體剛度矩陣，表示為：

M＝M_p+M_c(h_c)+M_v(h_v,h_c)????(2)

K＝K_p+K_c(h_c)+K_v(h_v,h_c)????(3)

式中的下標(biāo)p、c、v分別代表基板、約束層材料、阻尼層材料；h_c、h_v分別表示約束層材料和阻尼層材料的厚度；

公式(1)中的F表示施加在約束阻尼板結(jié)構(gòu)表面的單位正弦激勵力，表示為：

F＝f*sin(ω₁t)????(4)

式(4)中ω₁代表前述約束阻尼板結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的1階共振頻率,t為激勵力F作用在約束阻尼板上的時刻，f為激勵力F的幅值；

在激勵力F作用下約束阻尼板第1階振動模態(tài)對應(yīng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)表面法向振動速度為：

V_n＝iω₁X_Fn＝iω₁(-ω₁²[M]+[K])^-1f?????(5)

式中V_n表示約束阻尼板結(jié)構(gòu)所有節(jié)點法向振動速度構(gòu)成的向量，X_Fn表示約束阻尼板結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的法向位移構(gòu)成的向量，i為虛單位；

采用邊界元法計算約束阻尼板結(jié)構(gòu)在激勵力F作用下的振動輻射聲功率W₁，表示為：

式中：S為結(jié)構(gòu)表面積；Re表示取實部；約束阻尼板結(jié)構(gòu)所有有限元單元中心位置處的法向振動速度構(gòu)成的向量；振動結(jié)構(gòu)表面聲壓P和法向振動速度V_cn之間的關(guān)系可以表示為：

P＝ZV_cn????(7)

其中Z＝iρω(c_p-G_n)^-1G為聲阻抗矩陣，G_n格林函數(shù)法向偏導(dǎo)數(shù)矩陣，G為格林函數(shù)矩陣，c_p為實體角系數(shù)，ρ為聲傳播介質(zhì)密度，ω為振動角頻率；當(dāng)振動物體表面被離散成很小的面元時，聲輻射功率可表示為：

式中H表示轉(zhuǎn)置,R為系數(shù)矩陣，R＝ΔS×Re(Z)/2，ΔS為離散后的有限元單元的結(jié)構(gòu)表面積，矩陣R為實對稱正定矩陣；V_cn是由約束阻尼板結(jié)構(gòu)所有有限元單元中心位置處的法向振動速度構(gòu)成的向量可由對應(yīng)的單元節(jié)點法向振動速度向量V_n插值得到，表示為：

V_cn＝S_vV_n(9)

式中S_v為單元節(jié)點法向速度與單元中心點法向速度之間的插值函數(shù)矩陣；

離散化設(shè)計約束阻尼材料厚度向量參數(shù)：設(shè)約束阻尼材料中約束層材料和阻尼層材料初始厚度參數(shù)為定義約束阻尼材料的離散化厚度參數(shù)向量，表示為：

P為除了初始厚度參數(shù)以外的厚度參數(shù)個數(shù)；

且h^p與初始厚度參數(shù)存在以下關(guān)系：

式中，ρ_c、ρ_v分別為約束層材料和阻尼層材料的密度；分別為約束層材料和阻尼層材料的第P+1組離散厚度參數(shù)；約束層材料和阻尼層材料共有P+1組厚度參數(shù)組合。