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

有效

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• 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(jì)）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

本發(fā)明涉及一種約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，針對薄壁結(jié)構(gòu)的減振降噪問題，對基板結(jié)構(gòu)表面的約束阻尼材料進(jìn)行優(yōu)化配置時，以部分覆蓋約束阻尼材料的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)的全覆蓋約束阻尼結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)相比，在優(yōu)化迭代過程中大大減少了聲輻射功率靈敏度的計(jì)算量；本發(fā)明方法對約束阻尼材料的厚度參數(shù)進(jìn)行了離散化，在第一級協(xié)同優(yōu)化中可實(shí)現(xiàn)約束阻尼材料厚度和位置協(xié)同優(yōu)化，使得充分利用約束阻尼材料以獲得最優(yōu)的減振降噪效果；第二級優(yōu)化的初始結(jié)構(gòu)本身即為一種最優(yōu)結(jié)構(gòu)，將本發(fā)明的兩級優(yōu)化相結(jié)合，可在嚴(yán)格的附加質(zhì)量約束條件下獲得約束阻尼材料的厚度和位置最優(yōu)配置，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的減振降噪效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種薄壁結(jié)構(gòu)的減振降噪技術(shù)，特別涉及一種薄板殼結(jié)構(gòu)表面約束阻尼材料厚度和敷設(shè)位置的兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

板殼結(jié)構(gòu)是艦艇、航天飛行器、高鐵車輛以及汽車等各種裝備的承載構(gòu)件，為了達(dá)到節(jié)能和高速的目的，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)逐漸向輕量化方向發(fā)展，但隨之帶來的板殼結(jié)構(gòu)振動聲輻射問題日益突出。約束阻尼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單且易于工程實(shí)現(xiàn)、在寬頻帶內(nèi)都具有良好的減振降噪效果等特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于上述各領(lǐng)域的減振降噪設(shè)計(jì)。為滿足輕量化的設(shè)計(jì)需求，且更加有效地利用材料，必須對約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前對約束阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要包括兩個方面：一是約束阻尼材料的參數(shù)優(yōu)化(如材料厚度、本構(gòu)參數(shù)等)，此時需預(yù)先確定約束阻尼結(jié)構(gòu)的布局；二是采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對約束阻尼材料的布局進(jìn)行優(yōu)化(布置位置和形狀等)，此時則需預(yù)先確定材料參數(shù)。采用漸進(jìn)優(yōu)化方法等對約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)時，多以全覆蓋約束阻尼結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)，但隨著板殼結(jié)構(gòu)有限元單元數(shù)目的增加，會使得靈敏度的計(jì)算非常耗時。另外，在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，需預(yù)先設(shè)定約束阻尼材料的厚度保持不變，但實(shí)際上約束層材料和阻尼層材料的厚度對約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振降噪效果有著重要的影響。因此，有必要重新考慮約束阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的初始結(jié)構(gòu)選擇問題，對約束阻尼材料的位置和厚度同時進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分有效的利用約束阻尼材料以獲得最佳的減振降噪效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是針對薄壁結(jié)構(gòu)的減振降噪的問題，提出了一種約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)在共振頻率激勵和設(shè)定附加質(zhì)量約束的條件下，約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動輻射聲功率最小化。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種約束阻尼結(jié)構(gòu)兩級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，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(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)模型；計(jì)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(jìn)優(yōu)化方法獲得約束阻尼結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化配置。

所述步驟1)具體實(shí)現(xiàn)步驟：采用四節(jié)點(diǎn)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(jìn)行編號，約束阻尼結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)方程如下：