基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法
2023-05-03 21:27:31 1
基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，屬於結構優化設計【技術領域】。該方法包括：建立約束阻尼板的有限元模型；建立拓撲優化模型；設定雙向漸進優化算法的參數；計算約束阻尼板結構單元的靈敏度；採用雙向漸進優化算法逐步刪除低效率約束阻尼胞單元，同時恢復靈敏度高的已被刪除的約束阻尼胞單元；滿足約束條件時停止迭代，輸出約束阻尼材料的優化布局。本發明在一定約束阻尼材料用量的情況下，使約束阻尼板的模態損耗因子最大化，使約束阻尼板結構在有效減振的同時不過多附加質量。
【專利說明】基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種結構優化設計方法，特別是一種基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法。
【背景技術】
[0002]阻尼結構能有效抑制結構的振動與噪聲，特別是約束阻尼板結構對寬帶隨機振動響應有很好的抑制作用，廣泛應用於汽車、航空航天、艦船等行業。在傳統的阻尼結構減振設計中，將阻尼材料覆蓋於整個結構的表面，有效抑制結構振動和噪聲的同時，也增加了結構的附加質量。對約束阻尼材料的布局進行優化配置能夠有效提高約束阻尼材料的使用效率，減少約束阻尼材料的使用量。
[0003]在採用漸進優化算法對結構進行拓撲優化的過程中，某些被刪除的低效率的單元可能變為高效率的單元，但是漸進優化算法不能將這些刪除單元恢復為實體單元，影響了優化算法的可靠性，使優化結果出現低效局部優化解。雙向漸進優化算法是對漸進優化算法的改進，它不僅可以刪除材料，還可以添加材料，使得材料布局更加合理，因此，該方法具有更好的優化設計能力。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是提供一種基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，它以模態損耗因子最大化為目標函數，約束阻尼材料體積分數為約束條件，建立約束阻尼板的拓撲優化模型，採用雙向漸進優化算法，獲得約束阻尼板的約束阻尼材料最優布局，在一定附加質量的前提下，使約束阻尼板具有最大的阻尼減振效果。
[0005]本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的，具體包括以下步驟:
[0006]I)在待優化表面覆蓋約束阻尼材料形成約束阻尼板結構，建立約束阻尼板結構的有限元模型，定義邊界條件；
[0007]2)建立拓撲優化模型如下:
【權利要求】
1.一種基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)在待優化表面覆蓋約束阻尼材料形成約束阻尼板結構，建立約束阻尼板結構的有限元模型，定義邊界條件； 2)建立拓撲優化模型如下:
其中:設計變量Xi是約束阻尼板結構的第i個單元的存在狀態，取值為I和Xmin，且I代表結構表面覆蓋了阻尼材料，單元i為實體單元；xmin代表刪除了結構表面覆蓋的阻尼材料，單元i為刪除單元；n為約束阻尼板結構的單元總數；II為模態損耗因子，L為第r階的模態損耗因子為約束阻尼材料的總體積，Vi為每個單元約束阻尼材料的體積；V*為約束阻尼材料的體積約束量； 3)設定雙向漸進優化算法的參數，包括約束阻尼材料的體積約束量V*和進化率ER； 4)對建立的有限元模型進行模態分析，並採用模態應變能的方法計算約束阻尼板結構的模態損耗因子，採用靈敏度公式計算每一個實體單元的靈敏度，採用獨立網格濾波技術對實體單元的靈敏度進行濾波，並得到刪除單元的靈敏度； 5)根據進化率ER，計算下一步迭代的約束阻尼材料的目標體積Vk+1:
當 Vk+1〈V* 時，Vk+1 = Vk(1-ER)；
當 Vk+1≥ V* 時，Vk+1 = V* ； 根據Vk+1決定修改單元靈敏度的門檻值β，並根據門檻值更新設計變量值； 6)判定是否滿足約束條件:如果滿足約束條件，則繼續步驟7);如果不滿足約束條件，則更新實體單元和刪除單元的密度值； 7)重複步驟4)~6)，直至滿足約束阻尼材料體積約束條件，結束迭代，輸出各相關數據。
2.根據權利要求1所述的基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，其特徵在於:步驟I)所述約束阻尼板結構的有限元模型包括阻尼材料單元和阻尼材料單元所對應的約束層單元。
3.根據權利要求1所述的基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，其特徵在於:步驟2)所述拓撲優化模型中的Xmin取值為0.001。
4.根據權利要求2所述，基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，其特徵在於:步驟4)中所述採用靈敏度公式計算每一個實體單元的計算步驟為: 根據模態應變能法，計算約束阻尼板結構的r階模態損耗因子如下:nr=nr*Uvv/Ur 其中，Hv為阻尼材料的損耗因子;Uvr和&分別為第r階模態的阻尼材料應變能和約束阻尼板結構的總應變能； 令L對設計變量Xi求偏導，得到第r階模態損耗因子關於設計變量的靈敏度:
式中，Uevri為第r階模態的阻尼材料單元i的模態應變能；Uia滅r階模態的阻尼材料單元i對應的約束層單元的模態應變能。
5.根據權利要求1所述的基於雙向漸進優化算法的約束阻尼板的優化設計方法，其特徵在於，步驟6)中所述更新實體單元和刪除單元的密度值的方法為: 當單元i為實體單元時:靈敏度β i≤β，實體單元設計變量Xi的密度值由I變為Xmin ； 當單元i為刪除單元時:靈敏度β，刪除單元設計變量Xi的密度值由Xmin變為1
【文檔編號】G06F17/50GK104200048SQ201410479509
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】鄭玲, 房佔鵬, 萬浩川, 李以農 申請人:重慶大學