面向振动和声学响应的自由阻尼结构拓扑优化
发布时间：2021-03-08 15:47
薄壁构件广泛应用于汽车、航空航天和船舶等行业。在汽车内部空间、飞机机舱和船舶船舱等腔体中,薄壁构件在受到激励时容易产生振动,结构的振动还会使腔内介质产生压缩和伸张运动,进而引起声波在介质中传播,同时声波也以压力载荷的形式作用于结构,形成结构-声场耦合系统。在薄壁构件的表面敷设一层阻尼材料形成自由阻尼结构,能有效抑制结构振动和噪声,但也会增加结构质量和生产成本。为了在保证轻量化的同时,提升阻尼材料在自由阻尼结构及其声场耦合系统中的减振降噪效果,引入拓扑优化方法获取自由阻尼结构中阻尼材料的最优布局。传统有限元法求解耦合系统的中频声学响应时,会使得模型规模迅速增加,导致计算成本过高,严重影响拓扑优化效率。本文针对变密度拓扑优化方法的数值过滤技术进行研究,提出了一种基于密度梯度修正的密度过滤法;构造了综合模态损耗因子,实现了自由阻尼结构在一定频率范围内的减振拓扑优化;基于混合有限元-波函数法,实现了以耦合系统声学响应为优化目标的自由阻尼板-声场耦合系统拓扑优化方法。论文的主要研究内容如下:（1）对变密度拓扑优化方法中的密度过滤法进行改进,提出了基于密度梯度修正的密度过滤法。相较于原密度过滤法,...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简支梁1/2模型
2基于密度梯度的变密度拓扑优化过滤方法13为了讨论不同惩罚因子对拓扑优化结果的影响，以上述简支梁为例，设计区域被划分为120×40个单元，过滤半径取6，在经典密度过滤法的基础上，从第31次迭代开始应用本文方法，惩罚因子q分别取1、2、5、8、10、20、50，得到的拓扑优化结果如表2.1，优化后的结构如图2.5所示，图中颜色深浅代表单元相对密度大小，颜色越深，相对密度越大。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图2.5不同惩罚因子下的拓扑优化结构Fig.2.5Contrastoftopologicalstructureswithdifferentpenalizationfactorsq=1(b)q=2(c)q=5(d)q=8(e)q=10(f)q=20(g)q=50从表2.1和图2.5可以看出，惩罚因子q=1时，优化后的结构离散度为0.0043%，有少量灰度单元出现；惩罚因子q=2时和q=10时，优化后的结构离散度为0，但结构内部出现了细小孔洞；惩罚因子q=50时，最优结构柔顺度值较小，但优化后的结构出现较多细小孔洞，结构离散度为0.0642，灰度单元明显增多。分别取惩罚因子=5,8,10时，优化所需迭代步数较少，优化后的结构中无细小孔洞和分支，边界清晰，离散度很小，对灰度单元有良好的抑制效果。因此，推荐惩罚因子q的取值为5到10。为了验证修正密度过滤法是否有网格依赖性，将算例的设计区域分别划分为90×30、120×40、150×50、180×60个单元，应用基于密度梯度修正的密度过滤法
重庆大学硕士学位论文16(a)(b)(c)图2.7不同方法的拓扑优化后材料布局对比Fig.2.7Contrastoftopologicalstructuresobtainedbydifferentmethods（a）密度过滤法；(b)Heaviside密度过滤法；（c）修正密度过滤法2.5本章小结本章以结构柔顺度最小问题为对象，研究了变密度拓扑优化方法中的材料插值模型、优化求解方法和数值过滤技术。为了抑制拓扑优化结果中出现的灰度单元，提出了一种基于密度梯度修正的密度过滤法，在密度过滤法中增加了含有密度梯度信息的权函数，利用该信息识别结构边界，修正不同密度梯度下的过滤效果。通过简支梁数值模型，比较了不同惩罚因子和网格划分下基于密度梯度修正的密度过滤法的拓扑优化结果，表明当修正权函数中的惩罚因子取5到10时，得到的优化后结构边界清晰、没有细微结构，且在较密的网格划分下没有出现数值不稳定现象。通过比较经典密度过滤法、Heaviside密度过滤法和本章提出的方法得到了拓扑优化结果和材料布局，表明针对构柔顺度最小问题，在变密度拓扑优化方法中使用基于密度梯度修正的密度过滤法能够消除了拓扑优化中结构的灰度单元，得到边界清晰的优化结果，且所需迭代步数少，优化效率高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑频变阻尼的黏弹性阻尼层板结构模态分析方法[J]. 周航,校金友,徐超. 振动与冲击. 2018(14)
[2]附加自由阻尼板阻尼材料降噪拓扑优化[J]. 徐伟,张志飞,庾鲁思,徐中明. 振动与冲击. 2017(11)
[3]约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化[J]. 贺红林,袁维东,夏自强,刘尧弟. 振动与冲击. 2017(09)
[4]基于薄板-声腔耦合系统研究的微型客车车内声学优化[J]. 李伟,贺岩松,徐中明,张志飞,夏小均. 汽车工程. 2016(05)
[5]指定频带简谐激励下约束阻尼结构拓扑优化[J]. 房占鹏,郑玲,唐重才. 振动与冲击. 2015(14)
[6]考虑瞬态响应的薄板结构阻尼材料层拓扑优化[J]. 王睿,张晓鹏,吴良武,亢战. 工程力学. 2015(06)
[7]约束阻尼板结构振动声辐射优化[J]. 郑玲,祝乔飞. 振动与冲击. 2014(05)
[8]以动柔度为目标的结构阻尼材料层拓扑优化[J]. 王睿,张晓鹏,亢战. 振动与冲击. 2013(22)
[9]基于扩散张量偏微分方程的拓扑优化过滤方法[J]. 赵清海,陈潇凯,林逸. 中国机械工程. 2013(22)
[10]基于有效模态质量的子结构主模态选择方法[J]. 邓兆祥,李兴泉,章竟成,李英强,阳小光. 汽车工程. 2013(06)
博士论文
[1]薄壁构件约束阻尼结构动力学拓扑优化研究[D]. 房占鹏.重庆大学 2015
[2]基于拓扑优化的结构刚度和渗流多功能材料设计[D]. 徐胜利.大连理工大学 2010
[3]客车车身结构动力学、声学CAE关键技术研究[D]. 杨莉.东南大学 2005
本文编号：3071287
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简支梁1/2模型
2基于密度梯度的变密度拓扑优化过滤方法13为了讨论不同惩罚因子对拓扑优化结果的影响，以上述简支梁为例，设计区域被划分为120×40个单元，过滤半径取6，在经典密度过滤法的基础上，从第31次迭代开始应用本文方法，惩罚因子q分别取1、2、5、8、10、20、50，得到的拓扑优化结果如表2.1，优化后的结构如图2.5所示，图中颜色深浅代表单元相对密度大小，颜色越深，相对密度越大。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图2.5不同惩罚因子下的拓扑优化结构Fig.2.5Contrastoftopologicalstructureswithdifferentpenalizationfactorsq=1(b)q=2(c)q=5(d)q=8(e)q=10(f)q=20(g)q=50从表2.1和图2.5可以看出，惩罚因子q=1时，优化后的结构离散度为0.0043%，有少量灰度单元出现；惩罚因子q=2时和q=10时，优化后的结构离散度为0，但结构内部出现了细小孔洞；惩罚因子q=50时，最优结构柔顺度值较小，但优化后的结构出现较多细小孔洞，结构离散度为0.0642，灰度单元明显增多。分别取惩罚因子=5,8,10时，优化所需迭代步数较少，优化后的结构中无细小孔洞和分支，边界清晰，离散度很小，对灰度单元有良好的抑制效果。因此，推荐惩罚因子q的取值为5到10。为了验证修正密度过滤法是否有网格依赖性，将算例的设计区域分别划分为90×30、120×40、150×50、180×60个单元，应用基于密度梯度修正的密度过滤法
重庆大学硕士学位论文16(a)(b)(c)图2.7不同方法的拓扑优化后材料布局对比Fig.2.7Contrastoftopologicalstructuresobtainedbydifferentmethods（a）密度过滤法；(b)Heaviside密度过滤法；（c）修正密度过滤法2.5本章小结本章以结构柔顺度最小问题为对象，研究了变密度拓扑优化方法中的材料插值模型、优化求解方法和数值过滤技术。为了抑制拓扑优化结果中出现的灰度单元，提出了一种基于密度梯度修正的密度过滤法，在密度过滤法中增加了含有密度梯度信息的权函数，利用该信息识别结构边界，修正不同密度梯度下的过滤效果。通过简支梁数值模型，比较了不同惩罚因子和网格划分下基于密度梯度修正的密度过滤法的拓扑优化结果，表明当修正权函数中的惩罚因子取5到10时，得到的优化后结构边界清晰、没有细微结构，且在较密的网格划分下没有出现数值不稳定现象。通过比较经典密度过滤法、Heaviside密度过滤法和本章提出的方法得到了拓扑优化结果和材料布局，表明针对构柔顺度最小问题，在变密度拓扑优化方法中使用基于密度梯度修正的密度过滤法能够消除了拓扑优化中结构的灰度单元，得到边界清晰的优化结果，且所需迭代步数少，优化效率高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑频变阻尼的黏弹性阻尼层板结构模态分析方法[J]. 周航,校金友,徐超. 振动与冲击. 2018(14)
[2]附加自由阻尼板阻尼材料降噪拓扑优化[J]. 徐伟,张志飞,庾鲁思,徐中明. 振动与冲击. 2017(11)
[3]约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化[J]. 贺红林,袁维东,夏自强,刘尧弟. 振动与冲击. 2017(09)
[4]基于薄板-声腔耦合系统研究的微型客车车内声学优化[J]. 李伟,贺岩松,徐中明,张志飞,夏小均. 汽车工程. 2016(05)
[5]指定频带简谐激励下约束阻尼结构拓扑优化[J]. 房占鹏,郑玲,唐重才. 振动与冲击. 2015(14)
[6]考虑瞬态响应的薄板结构阻尼材料层拓扑优化[J]. 王睿,张晓鹏,吴良武,亢战. 工程力学. 2015(06)
[7]约束阻尼板结构振动声辐射优化[J]. 郑玲,祝乔飞. 振动与冲击. 2014(05)
[8]以动柔度为目标的结构阻尼材料层拓扑优化[J]. 王睿,张晓鹏,亢战. 振动与冲击. 2013(22)
[9]基于扩散张量偏微分方程的拓扑优化过滤方法[J]. 赵清海,陈潇凯,林逸. 中国机械工程. 2013(22)
[10]基于有效模态质量的子结构主模态选择方法[J]. 邓兆祥,李兴泉,章竟成,李英强,阳小光. 汽车工程. 2013(06)
博士论文
[1]薄壁构件约束阻尼结构动力学拓扑优化研究[D]. 房占鹏.重庆大学 2015
[2]基于拓扑优化的结构刚度和渗流多功能材料设计[D]. 徐胜利.大连理工大学 2010
[3]客车车身结构动力学、声学CAE关键技术研究[D]. 杨莉.东南大学 2005
本文编号：3071287
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