SIMP插值的约束层阻尼结构拓扑优化

针对约束层阻尼结构拓扑优化问题,采用SIMP插值模型和变密度方法,构建了以模态损耗因子为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。推导了模态损耗因子对设计变量的灵敏度表达式。采用优化准则法,计算了约束层阻尼的最优拓扑构型,给出了拓扑优化计算的流程。结果表明:采用该拓扑优化方法对约束层阻尼材料进行优化布局,能在减少阻尼材料用量的前提下,显著提高结构模态损耗因子,降低频率响应幅值。     

基于渐进法的约束阻尼结构拓扑多目标动力学优化

为实现阻尼结构减振优化,从阻尼材料的力学本构出发,基于虚功原理建立了约束阻尼板动力学平衡方程,从阻尼耗能角度推导出模态损耗因子解析计算式。构建了以模态损耗因子最大且模态频率变动最小为目标、以阻尼材料用量为约束的阻尼板多目标优化数学模型。在对模态损耗因子及模态频率灵敏度进行推导的基础上,构建了归一化复合灵敏度算式,并引入拓扑渐进法求解优化模型。编制出阻尼板渐近法优化程序,并对阻尼板进行了优化仿真。结果显示,采用多目标拓扑渐进优化,既能大幅提高阻尼材料的减振效能,又能保证阻尼板频率特性的稳定,且可较大幅度地降低阻尼材料用量。对阻尼板进行了谐响应分析,验证了优化结果的有效性。该优化法在对结构动力学特性有严格要求的减振设计中存在应用前景。     

Helmholtz PDE敏度过滤技术的阻尼层拓扑优化设计

针对阻尼结构的拓扑优化问题,引入Helmholtz PDE灵敏度网格独立密度滤波技术,抑制优化中的棋盘格和灰度单元,得到边界清晰、光滑的结构,便于工程加工应用.首先建立以模态损耗因子最大化为目标函数,材料用量为约束条件的拓扑优化模型.基于材料密度插值模型,推导了模态损耗因子的敏度,并采用Helmholtz PDE敏度过...     

约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化

为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。     

基于Hoff夹层板理论计算约束阻尼结构的结构损耗因子

利用Hoff夹层板理论研究约束阻尼结构的固有频率和模态损耗因子的计算问题.计算结果表明,利用Hoff理论计算约束阻尼结构固有频率和模态损耗因子方法具有较高的计算精度,与Ansys计算结果较为接近,可用于约束阻尼结构固有频率和结构损耗因子计算.     

约束阻尼板增材式拓扑渐进法减振动力学优化

研究阻尼结构的阻尼材料最优布局问题。基于虚功原理,构建约束阻尼板振动微分方程,从约束阻尼板若干基本假设出发并根据阻尼板自由振动微分方程,推导了结构模态阻尼比表达式。建立了以阻尼单元相对密度为拓扑设计变量,模态阻尼比最大为优化目标,阻尼材料用量为约束的阻尼结构拓扑优化数学模型。以阻尼单元模态阻尼比敏度为寻优方向的依据,采用增材式渐进法(AESO)求解优化模型,并依据拓扑优化准则在结构上不断敷设阻尼材料。编程实现了AESO算法,仿真计算表明:采用AESO优化时,阻尼材料主要敷设于结构的模态应变较大位置,且不会产生棋盘格现象,并且优化后的结构一阶模态阻尼比较优化前可增加83.6%,而常规渐进法带来的增幅仅72.13%。为进一步验证优化效果,还对结构进行了谐响应分析,结果表明采用增材式渐进法优化时,结构可获得更佳减振效果。     

弹性机构振动被动控制中模态损耗因子的确定

针对组成弹性机构的特点,给出了一种描述组成弹性机构的２节点８自由度约束阻尼平面刚架单元的形函数,建立了含大阻尼材料时弹性机构的动力学方程,基于此研究了弹性连杆机构模态损耗因子的预测问题。文中方法概念清晰、计算简单、预测可靠。可用于解决阻尼处理中的机构结构参数的优化设计问题。     

考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计

三明治阻尼复合结构的力学性能取决于阻尼层材料的性能,综合考虑该结构的阻尼性能和可制造性要求,提出了一种面向结构宏观性能并考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法。以最大化结构模态阻尼比为目标,考虑微结构刚度相材料的连接性,通过组合强制性连接约束法和非线性扩散法,构建了连接性约束下的阻尼复合材料微结构的优化设计模型,并结合3D打印技术实现了三明治阻尼复合结构的制造。运用所提方法对典型结构进行优化设计,得到了刚度相保持连接的阻尼复合结构,且优化后的结构阻尼变大,结构的频率响应变小,实现了三明治阻尼复合结构材料结构设计制造协同优化设计。仿真和实验结果表明,在微结构上存在最优的阻尼材料体积分数使优化后的三明治结构频率响应最小。     

约束阻尼变密度材料属性合理近似插值模型全域灵敏度减振优化

针对圆柱壳约束阻尼拓扑减振优化问题,基于变密度材料属性合理近似插值模型,构建以模态损耗因子最小为优化目标的拓扑减振模型,引入振型控制因子MAC评价振型的阶跃状态,寻优迭代轻量化约束设计域内的减振优化解。推导目标灵敏度的插值模型,演算全域优化求解算法,建立∞-范数的全域灵敏度拓扑变量优化准则,避免非凸优化函数的部分目标灵敏度参与优化迭代的局部优化解和跳跃。编程实现了壳构件约束阻尼结构的减振优化分析。结果表明：全域优化算法寻优域广,迭代历程稳定时间短、敷设部分阻尼材料易获得有效的减振效果。     

敷设支撑层的约束阻尼梁减振优化设计

约束阻尼是板梁减振降噪的重要手段之一,敷设支撑层的约束阻尼结构能够获得更好的减振效果.基于有限元方法建立简支约束阻尼梁模型,以阻尼段段数、长度、段间间隙、支撑层厚度作为设计变量,梁结构的前4阶模态损耗因子乘以权值的和为目标函数,应用序列二次规划法对整个结构进行优化.在不同质量的约束条件下,分析比较了选取不同权值时约束层连续与间断情况下梁中点的振幅变化和损耗因子的变化.实例结果表明:优化设计能够保证在引入质量较小的情况下,达到更好的减振效果.     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

基于ANSYS的结构拓扑优化

针对拓扑优化技术在现实中的应用问题,将拓扑优化技术应用到自行车车架和多拱拱桥的最优化设计中。开展了各种拓扑优化方法的分析研究,建立了"以单元材料密度为设计变量,以结构的柔顺度最小化为目标函数,体积减少百分比为约束函数"的数学模型;通过采用商用有限元软件ANSYS中的拓扑优化设计模块对自行车车架和多拱拱桥进行了拓扑优化设计,优化结果表明所得拓扑结构清晰,并与实际的自行车车架和多拱拱桥非常相似。研究结果表明,该结构拓扑优化方法正确而有效,具有一定的工程应用前景。     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

敷设阻尼薄板隔声性能的测试与计算分析

首先,采用脉冲响应衰减法测试了敷设阻尼薄板的阻尼损耗因子,分析了阻尼敷设比例及薄板的悬挂状态对薄板阻尼损耗因子的影响;其次,在混响-全消室中测试了敷设阻尼薄板的隔声量,比较了不同阻尼敷设比例薄板的测试结果;最后,建立了敷设阻尼薄板隔声量计算分析模型,隔声量计算值与试验值吻合较好,验证了计算模型的有效性。研究了敷设阻尼材料厚度与敷设比例对薄板结构隔声性能的影响,综合考虑轻量化和隔声性能,分析了阻尼材料厚度与敷设比例对薄板降噪效率的影响,并以降噪效率最大为目标进行了薄板隔声特性的优化。     

高速转向架轴箱转臂结构拓扑优化设计

采用变密度方法,建立了以结构的总柔度为目标函数,体积为约束的拓扑优化模型.利用有限元软件hyperworks中的拓扑优化工具对列车转向架轴箱转臂结构初始设计方案进行了减重设计.结果表明,基于拓扑优化技术可以得到既经济又安全的结构方案.     

Power flow response based dynamic topology optimization of bi-material plate Structures

Work on dynamic topology optimization of engineering structures for vibration suppression has mainly addressed the maximization of eigenfrequencies and gaps between consecutive eigenfrequencies of free vibration, minimization of the dynamic compliance subject to forced vibration, and minimization of the structural frequency response. A dynamic topology optimization method of bi-material plate structures is presented based on power flow analysis. Topology optimization problems formulated directly with the design objective of minimizing the power flow response are dealt with. In comparison to the displacement or velocity response, the power flow response takes not only the amplitude of force and velocity into account, but also the phase relationship of the two vector quantities. The complex expression of power flow response is derived based on time-harmonic external mechanical loading and Rayleigh damping. The mathematical formulation of topology optimization is established based on power flow response and bi-material solid isotropic material with penalization(SIMP) model. Computational optimization procedure is developed by using adjoint design sensitivity analysis and the method of moving asymptotes(MMA). Several numerical examples are presented for bi-material plate structures with different loading frequencies, which verify the feasibility and effectiveness of this method. Additionally, optimum results between topological design of minimum power flow response and minimum dynamic compliance are compared, showing that the present method has strong adaptability for structural dynamic topology optimization problems. The proposed research provides a more accurate and effective approach for dynamic topology optimization of vibrating structures.