一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法技术

本发明专利技术公开了一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，涉及结构设计技术领域，基于约束阻尼结构的材料数据和结构数据，构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型，并在此基础上分别建立微观结构层面的模型和宏观结构层面的模型，获得优化目标函数的微观灵敏度和宏观灵敏度，对微观灵敏度和宏观灵敏度进行滤波并采用优化准则法更新微观灵敏度和宏观灵敏度，最终得到约束阻尼结构微观和宏观的拓扑优化构型；本发明专利技术提供的一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，同时对阻尼层的微观结构和宏观的约束层和阻尼层优化，使材料和结构同时达到最优，能够在约束阻尼材料使用量一定的情况下，最大限度的提高阻尼性能。最大限度的提高阻尼性能。最大限度的提高阻尼性能。

【技术实现步骤摘要】
一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法


[0001]本专利技术涉及结构设计
，特别涉及一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法。

技术介绍

[0002]板壳结构是舰艇、航天飞行器、高铁车辆以及汽车等各种装备的承载构件，为了达到节能和高速的目的，板壳结构的设计逐渐向轻量化方向发展，但随之带来的板壳结构振动声辐射问题日益突出。而约束阻尼结构具有结构简单且易于工程实现、在宽频带内都具有良好的减振降噪效果等特点，因此，广泛应用于上述各领域的减振降噪设计。为满足轻量化的设计需求，且更加有效地利用材料，必须对约束阻尼结构进行优化设计。
[0003]结构的微宏观协同优化方法能有将材料优化和结构优化结合起来，实现材料与结构的最佳匹配、充分发挥材料的潜力。但是现有技术对于约束阻尼结构的微宏观协同优化还研究较少，而且在当前以宏观动力学响应为优化目标对微结构优化时，常常强制施加材料属性的约束，使优化的构型具有各向同性的材料属性，从而导致优化结果未必是最有结果。
[0004]因此，针对上述问题，本申请提供了一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，同时对阻尼层的微观结构和宏观的约束层和阻尼层优化，使材料和结构同时达到最优，能够在减少约束阻尼材料使用量一定的情况下，最大限度的提高阻尼性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，同时对阻尼层的微观结构和宏观的约束层和阻尼层优化，使材料和结构同时达到最优，能够在减少约束阻尼材料使用量一定的情况下，最大限度的提高阻尼性能。
[0006]本专利技术提供了一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，包括如下步骤：
[0007]构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型；
[0008]基于约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型，采用8节点实体单元建立阻尼层的代表体元的有限元模型；
[0009]基于阻尼层的代表体元的有限元模型，采用考虑刚体边约束的代表体元法，计算阻尼层的代表体元的等效密度和等效本构矩阵；
[0010]基于阻尼层的微观结构的等效密度和等效本构矩阵，建立约束阻尼结构的宏观有限元模型；
[0011]对建立约束阻尼结构的宏观有限元模型进行模态分析，计算出优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度；
[0012]根据优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度，采用优化准则法，迭代更新约束阻尼结构的微观和宏观设计变量值；
[0013]根据迭代更新约束阻尼结构的微观和宏观设计变量值，进行阻尼层的代表体元的
有限元模型的变量修正，和约束阻尼结构的宏观有限元模型的变量修正，得到约束阻尼结构微观和宏观的拓扑优化构型。
[0014]进一步地，还包括：
[0015]采集约束阻尼结构的材料数据和结构数据；
[0016]基于约束阻尼结构的材料数据和结构数据，以约束阻尼结构宏观结构模态损耗因子最大化为优化目标，构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型。
[0017]进一步地，还包括：
[0018]对优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度进行滤波。
[0019]进一步地，所述构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型的步骤，包括：
[0020]以约束阻尼结构宏观结构模态损耗因子倒数最小化为优化目标；
[0021]微观层面上，以阻尼结构阻尼层的三维单胞的体积分数为约束条件；
[0022]宏观层面上，以阻尼结构宏观的约束层和阻尼层材料的体积分数为约束条件；
[0023]微观层面上阻尼层的三维单胞的单元密度值和宏观层面上约束阻尼单元密度值为设计变量；
[0024]构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型。
[0025]进一步地，所述约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型包括：
[0026]Find:
[0027]Minimize:
[0028]Subjectto:
[0029][0030][0031][0032]其中，X为设计变量，其包含宏观设计变量和微观设计变量和微观设计变量为宏观上约束阻尼单元密度值，包含约束材料和阻尼材料；为微观上阻尼层的三维单胞的单元密度值；f为优化目标函数；α
r
为加权系数；η
r
为r阶模态损耗因子；和分别为宏观和微观体积分数；V
MA
和V
ME
分别为设计变量都为1时，宏观上约束阻尼材料体积和微观上阻尼层的三维单胞的体积；V
i
和V
j
分别为宏观单元i的体积和微观单元j的体积；和为设计变量密度值的最小值，取值都为0.0001；Nm和n分别为宏观结构的单元总数和阻
尼层的三维单胞的单元总数。
[0033]进一步地，所述基于阻尼层的代表体元的有限元模型，采用考虑刚体边约束的代表体元法，计算阻尼层的代表体元的等效密度和等效本构矩阵，其中，所述阻尼层为粘弹性阻尼层，粘弹性阻尼层的等效本构矩阵关于微观设计变量的灵敏度为：
[0034][0035]其中，D
H
为等效本构矩阵，为等效本构矩阵DH的组元；
[0036][0037][0038][0039][0040]式中，为第i个工况的第j单元的位移向量，b为阻尼层的三维单胞的有限元模型的应变矩阵，为第i个工况的预施加应变，V
RVE
为阻尼层的三维单胞的体积，D
v
为粘弹性阻尼材料的本构矩阵，D
v
为粘弹性阻尼材料的本构矩阵，为单元j的本构矩阵，其采用SIMP插值模型对阻尼材料的本构矩阵插值得到，其表达式为：其中，D
v0
为阻尼材料的本构矩阵，p为惩罚因子，其值为3。
[0041]进一步地，所述对建立约束阻尼结构的宏观有限元模型进行模态分析，计算出优化目标的微观灵敏度，包括：
[0042]1/η
r
关于微观设计变量的灵敏度为：
[0043][0044]其中，Φ
r
为第r阶特征向量，K
R
和K
I
分别为总体刚度矩阵的实部和虚部；
[0045][0046]Re(
·
)和Im(
·
)分别代表实部和虚部，B为宏观有限元模型的应变矩阵。
[0047]进一步地，所述对建立约束阻尼结构的宏观有限元模型进行模态分析，计算出优化目标的宏观灵敏度，包括：
[0048]1/η
r
关于宏观设计变量的灵敏度为：
[0049][0050]其中，为第r阶特征值；M为总体质量矩阵；μ1和μ2为伴随向量。
[0051]进一步地，所述根据优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度，采用优化准则法，迭代更新约束阻尼结构的微观和宏观设计变量值的步骤，包括：
[0052]采用OC算法更新微观设计变量，直到满足迭代次数超过20次并且连续两次最大等效剪切模量的变化不超过2％；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，其特征在于，包括如下步骤：构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型；基于约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型，采用8节点实体单元建立阻尼层的代表体元的有限元模型；基于阻尼层的代表体元的有限元模型，采用考虑刚体边约束的代表体元法，计算阻尼层的代表体元的等效密度和等效本构矩阵；基于阻尼层的微观结构的等效密度和等效本构矩阵，建立约束阻尼结构的宏观有限元模型；对建立约束阻尼结构的宏观有限元模型进行模态分析，计算出优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度；根据优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度，采用优化准则法，迭代更新约束阻尼结构的微观和宏观设计变量值；根据迭代更新约束阻尼结构的微观和宏观设计变量值，进行阻尼层的代表体元的有限元模型的变量修正，和约束阻尼结构的宏观有限元模型的变量修正，得到约束阻尼结构微观和宏观的拓扑优化构型。2.如权利要求1所述的一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，其特征在于，还包括：采集约束阻尼结构的材料数据和结构数据；基于约束阻尼结构的材料数据和结构数据，以约束阻尼结构宏观结构模态损耗因子最大化为优化目标，构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型。3.如权利要求1所述的一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，其特征在于，还包括：对优化目标的微观灵敏度和宏观灵敏度进行滤波。4.如权利要求1所述的一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，其特征在于，所述构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型的步骤，包括：以约束阻尼结构宏观结构模态损耗因子倒数最小化为优化目标；微观层面上，以阻尼结构阻尼层的三维单胞的体积分数为约束条件；宏观层面上，以阻尼结构宏观的约束层和阻尼层材料的体积分数为约束条件；微观层面上阻尼层的三维单胞的单元密度值和宏观层面上约束阻尼单元密度值为设计变量；构建约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型。5.如权利要求4所述的一种约束阻尼结构的材料结构一体化优化方法，其特征在于，所述约束阻尼结构的材料结构一体化优化模型，包括：结构一体化优化模型，包括：
其中，X为设计变量，其包含宏观设计变量和微观设计变量为宏观上约束阻尼单元密度值，包含约束材料和阻尼材料；为微观上阻尼层的三维单胞的单元密度值；f为优化目标函数；α
r
为加权系数；η
r
为r阶模态损耗因子；和分别为宏观和微观体积分数；V
MA
和V
ME
分别为设计变量都为1时，宏观上约束阻尼材料体积和微观上阻尼层的三维单胞的体积；V
i
和V
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：房占鹏，翟洪飞，侯俊剑，肖艳秋，姚雷，田淑侠，王猛，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：