[发明专利]约束阻尼结构两级协同优化设计方法

说明书

本发明涉及一种约束阻尼结构两级协同优化设计方法，针对薄壁结构的减振降噪问题，对基板结构表面的约束阻尼材料进行优化配置时，以部分覆盖约束阻尼材料的结构作为初始结构，这与传统的全覆盖约束阻尼结构作为初始结构相比，在优化迭代过程中大大减少了声辐射功率灵敏度的计算量；本发明方法对约束阻尼材料的厚度参数进行了离散化，在第一级协同优化中可实现约束阻尼材料厚度和位置协同优化，使得充分利用约束阻尼材料以获得最优的减振降噪效果；第二级优化的初始结构本身即为一种最优结构，将本发明的两级优化相结合，可在严格的附加质量约束条件下获得约束阻尼材料的厚度和位置最优配置，实现更优的减振降噪效果。

技术领域

本发明涉及一种薄壁结构的减振降噪技术，特别涉及一种薄板壳结构表面约束阻尼材料厚度和敷设位置的两级协同优化设计方法。

背景技术

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，这些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。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。

目前对约束阻尼结构的优化设计研究主要包括两个方面：一是约束阻尼材料的参数优化(如材料厚度、本构参数等)，此时需预先确定约束阻尼结构的布局；二是采用拓扑优化方法对约束阻尼材料的布局进行优化(布置位置和形状等)，此时则需预先确定材料参数。采用渐进优化方法等对约束阻尼结构进行拓扑优化设计时，多以全覆盖约束阻尼结构为初始结构，但随着板壳结构有限元单元数目的增加，会使得灵敏度的计算非常耗时。另外，在拓扑优化过程中，需预先设定约束阻尼材料的厚度保持不变，但实际上约束层材料和阻尼层材料的厚度对约束阻尼结构的减振降噪效果有着重要的影响。因此，有必要重新考虑约束阻尼结构优化时的初始结构选择问题，对约束阻尼材料的位置和厚度同时进行协同优化设计，充分有效的利用约束阻尼材料以获得最佳的减振降噪效果。

发明内容

本发明是针对薄壁结构的减振降噪的问题，提出了一种约束阻尼结构两级协同优化设计方法，以实现在共振频率激励和设定附加质量约束的条件下，约束阻尼结构的振动辐射声功率最小化。

本发明的技术方案为：一种约束阻尼结构两级协同优化设计方法，具体包括如下步骤：

1)约束阻尼结构是在基板上铺设约束层材料和阻尼层材料，建立约束阻尼结构动力学模型及振动声辐射功率表征模型，离散化约束阻尼材料厚度参数获得厚度向量参数；

2)以约束阻尼材料的布置位置和离散化的厚度参数为设计变量，以结构振动声辐射最小化为目标函数，给定第一级优化约束阻尼材料质量分数为约束条件，建立约束阻尼材料布置位置和厚度协同优化设计模型；

3)根据基础结构的单元应变能分布和动能分布选取初始“种子单元”，在“种子单元”周围按照设定规则选取“位置待选单元”，根据声辐射功率灵敏度对所有“位置待选单元”进行排序，选取灵敏度最小的数个单元确定为“位置备选单元”；根据“种子单元”厚度更新后的声辐射功率大小确定“种子单元”的最优厚度配置，进而根据“种子单元”的声辐射功率灵敏度确定“厚度备选单元”；进一步依据辐射声功率的大小确定“位置备选单元”和“厚度备选单元”的优先级，更新约束阻尼结构配置，满足终止条件得到第一级优化设计的约束阻尼结构；

4)以第一级优化获得约束阻尼结构配置为初始结构，以约束阻尼材料的布置位置为设计变量，以结构振动声辐射最小化为目标函数，给定第二级优化约束阻尼材料质量分数为约束条件，建立第二级约束阻尼结构的优化设计模型；计算每个约束阻尼单元位置变量的声功率灵敏度并修正，采用渐进优化方法获得约束阻尼结构的最终优化配置。

所述步骤1)具体实现步骤：采用四节点28自由度的约束阻尼复合单元，建立四边固支状态下约束阻尼结构的有限元动力学模型，约束阻尼结构的有限元单元按位置顺序进行编号，约束阻尼结构的有限元动力学方程如下：