【技术实现步骤摘要】
一种功能梯度超材料结构优化设计方法及系统
[0001]本专利技术涉及航天
，特别涉及一种功能梯度超材料结构优化设计方法及系统。
技术介绍
[0002]航天器在进行星箭分离、整流罩分离、组合体分离以及附件展开等飞行动作时，需要用到火工分离装置，该类装置会引入爆炸冲击载荷，从而产生航天器远场中低频冲击振动环境问题，传统主动隔振装置给航天器带来额外的附加质量，大大增加了发射成本。通过周期裁剪挖除材料得到的超材料结构可以实现对特定频带内振动的抑制，减轻航天器质量同时实现中低频冲击环境减缓，因此对这种超材料结构进行优化并用于火工分离装置中，对实现航天器有效减振具有重大意义。
[0003]目前，对于周期超材料结构传统的优化设计思路是将超材料结构简化为一个元胞，仅针对该元胞的几何参数进行带隙优化，以寻求最大带隙及带隙内最大程度衰减。但是，使用这种传统的优化方法得到的超材料结构，只有在特定带隙范围内才能实现明显的减振且带隙范围较窄，对解决航天器远场中低频宽带振动冲击环境问题的作用较为有限。
技术实现思路
[00...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种功能梯度超材料结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：根据所设计的功能梯度超材料结构模型和所期望的减振频带范围，建立关于所述功能梯度超材料结构多个连续元胞的参数的衰减程度指标；根据所述衰减程度指标，利用遗传算法，对所述功能梯度超材料结构多个连续元胞的参数进行优化，确定优化后的功能梯度超材料结构。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设计所述功能梯度超材料结构模型，包括以下步骤：所述功能梯度超材料结构模型包括多个元胞；每个所述元胞沿变截面梁段长度方向依次顺序连接；每个所述元胞包括均匀梁段和变截面梁段，所述均匀梁段和变截面梁段的宽度相同，所述均匀梁段的厚度固定，所述变截面梁段的厚度沿变截面梁段长度方向递减至变截面梁段截断厚度。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所设计的功能梯度超材料结构模型和所期望的减振频带范围，建立关于所述功能梯度超材料结构多个连续元胞的参数的衰减程度指标，包括以下步骤：基于微分求积法建立弯曲波在所述功能梯度超材料结构中的波动方程；根据所述波动方程，获取所述功能梯度超材料结构的传递函数；基于所述传递函数和所期望频带的上下边界频率，定义关于所述功能梯度超材料结构变截面梁段长度的衰减程度指标。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于微分求积法建立弯曲波在所述功能梯度超材料结构中的波动方程，包括以下步骤：基于Timoshenko梁理论建立起每段梁的横向运动方程，如下所示：基于Timoshenko梁理论建立起每段梁的横向运动方程，如下所示：其中，y为梁沿Y轴方向上的位移，x为梁沿X轴方向上的位移，t为时间，为梁截面相对于中心轴的转角，为梁密度，A为横截面积，E为材料杨氏模量，G为材料剪切模量，为横向剪切修正系数，J为截面惯性矩，上标n表示编号为n的梁段，其中k取1, 2, ..., m，m为元胞总数，为偏微分符号；编号为n的梁段和编号为n+1的梁段连接面处需满足位移、转角、弯矩和剪切力连接条件，如下所示：
其中，上标n表示编号为n的梁段，上标n+1表示编号为n+1的梁段，y为梁沿Y轴方向上的位移，x为梁沿X轴方向上的位移，为梁截面相对于中心轴的转角，A为横截面积，E为材料杨氏模量，G为材料剪切模量，为横向剪切修正系数，J为截面惯性矩，l
n
为编号为n的梁段的长度，当n为偶数时，l
n
为编号为n的变截面梁段长度，为偏微分符号；根据实际自由边界条件，一端施加冲击载荷F，所述功能梯度超材料结构梁两端的弯矩和剪切力满足以下关系：其中，F为在所述功能梯度超材料结构一端施加的冲击载荷，上标表示梁段编号，m为元胞总数，y为梁沿Y轴方向上的位移，x为梁沿X轴方向上的位移，为梁截面相对于中心轴的转角，A为横截面积，E为材料杨氏模量，G为材料剪切模量，为横向剪切修正系数，J为截面惯性矩，l
2m
为编号为2m的变截面梁段长度，为偏微分符号。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述波动方程，获取所述功能梯度超材料结构的传递函数，包括以下步骤：引入无量纲参数，将所述波动方程改写成无量纲形式；根据所述无量纲形式的波动方程，基于微分求积法，将每段梁离散成多个节点，功能梯度超材料结构的传递函数表示为：其中，T表示传递函数，为无量纲简谐激振力频率，为第i个元胞的变截面梁段长度，i为元胞编号，和为功能梯度超材料梁在简谐激励下两端最大位移幅值，n取1, 2, ..., 2m，m为元胞总数，N为每段梁沿着局部...
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