[发明专利]一种宽频阻尼复合材料优化设计方法

说明书

本发明公开了一种宽频阻尼复合材料设计方法，涉及材料领域。阻尼复合材料由两相材料组成，一相在低频处具有较大阻尼，另一相在高频处具有较大阻尼。对两相阻尼材料进行无量纲化处理，建立初始微结构构型，在设计频域内选取若干典型频率点，通过对这些典型频率点处的材料阻尼的最小值进行最大化设计，实现阻尼复合材料的最优化设计。结果表明经过优化设计后的阻尼复合材料在较宽频域内具有较大的阻尼。

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种宽频阻尼复合材料设计方法。

背景技术

航天航空、航海和汽车等工程装备在工作中经常承受动态载荷，容易引发结构振动噪声问题，为了减小结构在外激励下的动态响应，有效的方法是在结构上施加阻尼材料，阻尼材料性能随频率变化而变化的，且通常阻尼材料在较小频带内作用效果较好，而这些工程结构又工作在宽频外载荷激励下，因此要保证工程结构在激励频带内正常工作，就需要在该频带内对阻尼复合材料进行设计，以保证阻尼复合材料的阻尼性能在该频带内均较优。

由于两相阻尼材料的性能参数在数值上相差较大，直接对其进行设计较难实现。

另外，在阻尼材料的优化设计中通常需要对设计变量设置一定的初值，在结构宏观拓扑优化中通常将初值设置为某一统一的定值，例如将初始密度值设置为等于初始的体积分数约束值。但是在微结构优化设计中，这种初值设置方法并不可行，均一的密度值会导致设计变量灵敏度相同，使得设计迭代难以继续进行。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种宽频阻尼复合材料设计方法，实现宽频阻尼复合材料的优化设计。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是对阻尼材料微结构进行构型设计，实现阻尼复合材料在较宽的频率范围内具有较大的阻尼。

为实现上述目的，本发明提供了一种宽频阻尼复合材料设计方法，阻尼复合材料由两相阻尼材料组成，其中第一相材料在低频处具有较大阻尼，第二相材料在高频处具有较大阻尼，设计过程包括以下步骤：

步骤1、通过将所述阻尼材料的材料常数除以某一基准材料的材料常数，得到无量纲化的两相阻尼材料常数，实现对两相阻尼材料的无量纲化处理；

步骤2、建立初始微结构构型，对单胞进行网格划分，建立单胞的有限元模型；

步骤3、进行微结构的有限元分析；

步骤4、根据有限元分析结果，计算目标函数和约束函数中设置的性能参数，并分别计算目标函数和约束函数对设计变量的灵敏度；

步骤5、更新设计变量；

步骤6、使用更新后的设计变量计算目标函数和约束条件；若满足设计要求，停止迭代输出计算结果，反之重复步骤2-5直至满足设计要求。

进一步地，步骤1中进行无量纲化处理的过程配置为：

其中，是在零频率时基准材料的模量，L₀为单胞的尺寸，为基准材料的密度，E₀、E_m和τ为阻尼材料的材料常数，为无量纲化后阻尼材料的材料常数。

进一步地，步骤3配置为对单胞施加周期性边界条件，通过均匀化方法，按照下式

计算得到单胞在不同作用频率下的等效复弹性模量D^H。

进一步地，步骤5采用移动渐近线(MMA：Method of Moving Asymptotes)算法更新设计变量。

进一步地，在频率区间内选取具有代表性的特征频率点进行最大-最小化设计，最大-最小化设计的数学模型配置为：