阻尼与主动控制结构的动力学拓扑优化方法

发布时间：2016-12-16 18:05

  本文关键词：阻尼与主动控制结构的动力学拓扑优化方法，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2015年

阻尼与主动控制结构的动力学拓扑优化方法

张晓鹏  

【摘要】：结构的振动和噪声控制长期以来受到学者和工程师的持续研究。特别地,在结构表面敷设阻尼材料层的被动控制方法和在结构表面安装压电传感器／作动器片的主动控制方法受到了越来越多的关注。显然,在结构中敷设满布的阻尼材料层或压电材料层在带来额外质量的同时也影响控制效果。为了达到最佳控制效果,寻找振动结构中阻尼材料层或压电材料层的最优布局变得至关重要。 对于局部敷设阻尼材料或压电材料的结构来说,其结构整体呈现非比例阻尼特性,这给结构振动响应分析和灵敏度分析带来了很大的困难。本文着力解决这一困难,并基于拓扑优化的基本思想,主要开展了如下工作：研究了以减小结构振动和声辐射特性为目标的振动结构阻尼材料最优拓扑布局问题；建立了结构阻尼材料层和基体材料层联合拓扑优化方法；研究了主动控制下以减小振动结构的稳态和瞬态响应为目标的压电材料及其电极层最优拓扑布局问题。主要研究内容包括： 1.振动结构阻尼材料层和基体材料层拓扑优化方法。主要考虑了以减小简谐激励下结构振动振幅为目标的结构表面阻尼材料层最优拓扑布局问题以及阻尼材料层和基体材料层联合拓扑优化问题。为了在优化中获得更加清晰的拓扑结果,提出了带惩罚的人工阻尼材料模型。由于结构表面部分区域敷设有阻尼材料,使得结构整体呈现非比例阻尼特性,因此在计算结构稳态响应时采用了先降阶再使用状态空间下的复模态叠加法进行求解。在此基础上,利用伴随变量法推导了振幅响应的灵敏度。 2.以减小振动结构辐射声压为目标的阻尼材料层拓扑优化方法。主要研究了简谐激励下以振动结构声辐射强度为目标的结构阻尼材料最优布局的拓扑优化方法及相应的灵敏度分析。在振动分析中使用有限元法对振动结构进行离散,而在外声场声辐射分析中则使用了边界元法对其离散。在此基础上,利用伴随变量法推导了指定位置参考点声压的灵敏度。在优化问题中,通过寻求结构表面阻尼材料层的最优拓扑布局来实现最小化指定位置参考点声压的幅值。本文通过数值算例比较了不同阻尼系数、激振频率以及参考点位置等因素对结构的最优拓扑结果的影响。 3.主动控制下结构表面压电材料最优拓扑布局问题。主要研究了以达到最优控制效果为目标的压电智能结构表面作动器层和传感器层最优拓扑布局问题。其中,压电作动器层和传感器层分布于基体层两侧并具有相同的拓扑分布,为减小结构振动使用了基于速度负反馈的方式进行结构振动的主动控制。在优化模型中,指定频率下结构的动柔度或指定频率带内的动柔度的凝聚函数被选作目标函数。在建立优化问题模型中,采用同时惩罚压电材料的力学和压电属性的人工压电材料模型,并基于此进行了相应的灵敏度分析。 4.以减小结构声辐射为目标的薄壁压电智能结构表面电极层拓扑优化问题。本文建立了以减小振动结构辐射声压的薄壁压电智能结构表面电极层拓扑优化方法。在优化模型中,选取指定参考点位置在指定载荷频率或载荷频率带的声压幅值作为目标函数。引入了表征每一单元表面电极存在与否的虚拟密度变量,并建立虚拟密度与主动阻尼效应之间的惩罚关系。每一压电作动器表面作动电压通过常系数速度负反馈(CGVF)的方式确定。 5.基于主动控制的压电智能结构瞬态响应动力学拓扑优化。本文主要研究了以减小主动控制下压电智能结构瞬态动力学响应为目标的表面压电作动器层和传感器层最优拓扑布局问题。具有主动阻尼效应的压电智能结构的瞬态动力学响应通过直接时间积分法求得。在拓扑优化的数学模型中,选取关心位置的位移响应在指定时间段内的积分为目标函数。为方便使用基于梯度的数学规划方法求解优化问题,给出了一般形式响应的积分函数在指定时间段内的灵敏度分析。数值算例证明所提的优化方法能够得到可行的压电材料拓扑布局；所提的拓扑设计方法可以用于提供对瞬态动力学载荷下(特别是冲击载荷下)压电传感器和作动器最优布局设计的指导意见。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB535;O189
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 隋允康;杨德庆;;A NEW METHOD FOR STRUCTURAL TOPOLOGICAL OPTIMIZATION BASED ON THE CONCEPT OF INDEPENDENT CONTINUOUS VARIABLES AND SMOOTH MODEL[J];Acta Mechanica Sinica;1998年02期

2 曹宗杰,闻邦椿,孟广伟;智能结构压电执行器位置的拓扑优化[J];东北大学学报;2000年04期

3 隋允康,叶红玲,杜家政;结构拓扑优化的发展及其模型转化为独立层次的迫切性[J];工程力学;2005年S1期

4 胡小伟;朱灯林;;基于板梁扭转振动控制阻尼的压电片拓扑形状设计[J];河海大学学报(自然科学版);2008年01期

5 隋允康,杨德庆,孙焕纯;统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM理论与方法[J];计算力学学报;2000年01期

6 顾松年,徐斌,荣见华,姜节胜;结构动力学设计优化方法的新进展[J];机械强度;2005年02期

7 林家浩;结构动力优化设计发展综述[J];力学进展;1983年04期

8 隋允康,于新;平面膜结构拓扑优化的有无复合体方法[J];力学学报;2001年03期

9 周克民,胡云昌;利用有限元构造Michell桁架的一种方法[J];力学学报;2002年06期

10 钱振东,陈国平,朱德懋;约束阻尼层板的振动分析[J];南京航空航天大学学报;1997年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王晓明;特定功能结构的拓扑优化[D];大连理工大学;2010年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨铭;重力式挡土墙优化设计[J];四川建筑科学研究;1987年02期

2 张德和;;钢筋混凝土平板最优设计的探讨[J];安徽工学院学报;1992年04期

3 张伟林;计算力学的研究现状与发展前景[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年02期

4 梅玉林;王晓明;;A LEVEL SET METHOD FOR STRUCTURAL TOPOLOGY OPTIMIZATION WITH MULTI-CONSTRAINTS AND MULTI-MATERIALS[J];Acta Mechanica Sinica;2004年05期

5 郭旭;程耿东;;EPSILON-CONTINUATION APPROACH FOR TRUSS TOPOLOGY OPTIMIZATION[J];Acta Mechanica Sinica;2004年05期

6 ;The ICM method with objective function transformed by variable discrete condition for continuum structure[J];Acta Mechanica Sinica;2006年01期

7 ;Independent continuous mapping for topological optimization of frame structures[J];Acta Mechanica Sinica;2006年06期

8 Hicham Bassir;;Using strain energy-based prediction of effective elastic properties in topology optimization of material microstructures[J];Acta Mechanica Sinica;2007年01期

9 Ole Sigmund;;Manufacturing tolerant topology optimization[J];Acta Mechanica Sinica;2009年02期

10 Joseph Cadman;Richard Appleyard;;Characterization of cuttlebone for a biomimetic design of cellular structures[J];Acta Mechanica Sinica;2010年01期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张春玉;预应力空间网格结构优化理论及可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 段志东;基于广义模块化设计的快锻液压机机架力学特性研究[D];兰州大学;2010年

3 杨陈;低噪声轻量化单缸柴油机的虚拟设计技术研究[D];浙江大学;2009年

4 卢兆刚;基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D];浙江大学;2011年

5 李建宝;声子晶体带隙调控的数值与实验研究[D];北京交通大学;2011年

6 李亦文;车身结构抗撞性问题的简化建模及优化方法研究[D];吉林大学;2011年

7 林哲祺;压电结构的控制参数与构型优化设计[D];大连理工大学;2011年

8 乔赫廷;连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D];大连理工大学;2011年

9 林鹏;质子交换膜燃料电池电堆的热力耦合封装力学研究[D];大连理工大学;2011年

10 孟兆新;木材干燥的多场耦合建模仿真与优化研究[D];东北林业大学;2011年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 隋允康;杨德庆;;A NEW METHOD FOR STRUCTURAL TOPOLOGICAL OPTIMIZATION BASED ON THE CONCEPT OF INDEPENDENT CONTINUOUS VARIABLES AND SMOOTH MODEL[J];Acta Mechanica Sinica;1998年02期

2 隋允康;于新;;THE TOPOLOGICAL OPTIMIZATION FOR TRUSS STRUCTURES WITH STRESS CONSTRAINTS BASED ON THE EXIST-NULL COMBINED MODEL[J];Acta Mechanica Sinica;1998年04期

3 褚金奎,郝秀春,王立鼎;拓扑优化方法的研究现状及在微机构设计中的应用[J];微纳电子技术;2003年Z1期

4 曹宗杰,闻邦椿,孟广伟;智能结构压电执行器位置的拓扑优化[J];东北大学学报;2000年04期

5 林家浩;有频率禁区的结构优化设计[J];大连工学院学报;1981年01期

6 钱令希;我国结构优化设计现况[J];大连工学院学报;1982年03期

7 程耿东;关于桁架结构拓扑优化中的奇异最优解[J];大连理工大学学报;2000年04期

8 程耿东，，张东旭;受应力约束的平面弹性体的拓扑优化[J];大连理工大学学报;1995年01期

9 程耿东，郭旭;考虑局部稳定性约束的桁架拓扑优化设计[J];大连理工大学学报;1995年06期

10 刘书田,曹先凡;零膨胀材料设计与模拟验证[J];复合材料学报;2005年01期

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 郭大蕾;车辆悬架振动的神经网络半主动控制[D];南京航空航天大学;2002年

2 翁建生;基于磁流变阻尼器的车辆悬架系统半主动控制[D];南京航空航天大学;2002年

3 赵国忠;压电材料结构优化控制方法及结构屈曲优化设计[D];大连理工大学;2001年

4 贾海朋;结构与柔性机构拓扑优化[D];大连理工大学;2005年

5 郝秀春;电热驱动微夹钳的拓扑设计及相关问题研究[D];大连理工大学;2006年

6 段洪君;微型飞行器飞行姿态控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

7 吕建婷;三轴稳定卫星姿态控制算法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

8 蔡坤;基于骨重建理论的连续体结构拓扑优化方法[D];大连理工大学;2008年

9 王剑;压电曲壳曲梁组合结构的有限元分析和形状控制[D];大连理工大学;2008年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杜家政;隋允康;郭英乔;;同时满足刚度和强度约束的框架拓扑优化[J];计算力学学报;2008年03期

2 王庆;徐斌;何佳琦;;基于拓扑优化的结构动力学边界条件优化设计[J];机械科学与技术;2012年11期

3 隋允康,于新,叶宝瑞;应力和位移约束下桁架拓扑优化的有无复合体方法[J];固体力学学报;2004年03期

4 李冬梅;张宪民;王念峰;管贻生;;基于可靠性约束的热固耦合结构拓扑优化[J];华南理工大学学报(自然科学版);2011年06期

5 程耿东，张东旭;受应力约束的平面弹性体的拓扑优化[J];大连理工大学学报;1995年01期

6 龙凯;左正兴;肖涛;;连续体拓扑优化中的过滤算法研究[J];中国机械工程;2007年10期

7 龙凯;左正兴;;谐响应下的连续体拓扑优化[J];中国机械工程;2007年13期

8 邱海;隋允康;叶红玲;;频率约束板结构拓扑优化[J];固体力学学报;2012年02期

9 龙凯;陈广华;;基于物质点描述的双向渐进式拓扑优化方法[J];工程力学;2012年08期

10 李志强;张运章;宋艳丽;;应力和位移约束下连续结构的有效拓扑优化方法[J];应用力学学报;2013年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 龙凯;肖涛;左正兴;;动柔顺度最小目标下的连续体拓扑优化方法[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

2 曾金玲;;拓扑优化技术在发动机零部件设计中的应用[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）论文集[C];2009年

3 邵沛泽;叶红玲;陈宁;隋允康;;两种不同过滤函数屈曲拓扑优化模型理论推导[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

4 李刚;;结构的多目标全局拓扑优化——收敛性与效率准则[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 谷叶水;杨万里;邓晓龙;;发动机附件支架多工况拓扑优化研究[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）论文集[C];2009年

6 尚珍;隋允康;铁军;叶红玲;;过滤函数间关系对拓扑优化效率影响的初步研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

7 黄永旺;袁登木;;多目标拓扑优化技术在汽车行业中的应用[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年

8 顾亦磊;陈昌亚;;拓扑优化技术在桁架设计中的应用[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）论文集[C];2009年

9 朱继宏;张卫红;;基于单元替换的结构渐进拓扑优化方法[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

10 豆麟龙;尹益辉;;考虑材料非线性的拓扑优化研究综述[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 高文;[N];计算机世界;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 胡三宝;多学科拓扑优化方法研究[D];华中科技大学;2011年

2 陈志敏;基于文化基因算法的拓扑优化方法及其关键技术研究[D];华中科技大学;2010年

3 王晓明;特定功能结构的拓扑优化[D];大连理工大学;2010年

4 李顺利;无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法及其在结构分析和拓扑优化中的应用[D];湖南大学;2011年

5 韦勇;阻尼结构的建模、识别和拓扑优化研究[D];南京航空航天大学;2006年

6 徐胜利;基于拓扑优化的结构刚度和渗流多功能材料设计[D];大连理工大学;2010年

7 乔赫廷;连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D];大连理工大学;2011年

8 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年

9 孙士平;材料和结构的拓扑优化关键理论与方法研究[D];西北工业大学;2006年

10 薛晓光;基于能量流分析的结构动力学拓扑优化理论与方法研究[D];国防科学技术大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘婉秋;杆系结构基于可靠性的拓扑优化研究[D];大连理工大学;2006年

2 曾兴国;基于移动粒子法的连续体结构拓扑优化研究[D];湘潭大学;2011年

3 周常荣;移动粒子法拓扑优化效率影响因素的研究[D];湘潭大学;2012年

4 倪君杰;骨骼重建拓扑优化方法的理论研究和数值模拟[D];北京工业大学;2009年

5 李朕;散热结构拓扑优化[D];华中科技大学;2008年

6 杨振兴;汽车与机械结构动力学拓扑优化方法及其应用研究[D];长沙理工大学;2005年

7 李玉霞;刮板输送机轨座的拓扑优化分析[D];河北工业大学;2006年

8 魏永保;基于修正移动粒子法的拓扑优化研究[D];湘潭大学;2013年

9 张程燮;基于拓扑优化的柔顺机构应力强度设计方法研究[D];东华大学;2011年

10 邢晓娟;基于数学规划求解的拓扑优化方法及其应用研究[D];长沙理工大学;2008年

  本文关键词：阻尼与主动控制结构的动力学拓扑优化方法，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：215721