[发明专利]一种考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法，包括以下步骤：步骤1、建立所述三明治阻尼复合结构的有限元模型；步骤2、对所述有限元模型的阻尼层材料微结构进行有限元分析，计算其等效复弹性矩阵；步骤3、对所述三明治阻尼复合结构宏观性能进行有限元分析；步骤4、计算考虑连接性约束的优化数学模型中对应的目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度；步骤5、更新设计变量；步骤6、使用更新后的所述设计变量重新计算所述有限元模型中的目标函数和约束条件，直至满足所述设计要求。使用本发明设计出的三明治阻尼复合结构的结构合理，能满足高刚度高阻尼的性能要求，同时易加工相材料具有连接性，提高了结构的可制造性。

技术领域

本发明涉及一种三明治阻尼复合结构设计方法，特别涉及一种面向结构宏观性能的考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法。

背景技术

三明治结构由于具有多功能性的特点而广泛应用于航天航空、航海等工程装备。这些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，如潜艇的隐身性能与舰体的振动噪声息息相关，减小舰体的振动噪声可以有效提高潜艇的隐身性能。为保证这些装备能够正常有效工作，通常要将结构的振动水平控制在某一范围内，有效的方法是提高结构的阻尼和刚度。三明治阻尼复合结构的宏观性能与中间阻尼层材料的性能息息相关，中间阻尼层由周期性阻尼复合材料组成，而周期性阻尼复合材料在微观上又由两相材料组成，其中一相为金属材料，用于提高结构刚度，另一相为阻尼材料，用于提高结构阻尼。针对高刚度高阻尼的设计要求，有效且直接的方法是设计阻尼复合材料的微结构，同时为了提高结构的可制造性，考虑制造约束的三明治阻尼复合结构的设计方法研究具有重要应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何设计出具有高刚度高阻尼性能的三明治阻尼复合结构的中间阻尼层材料。本发明提供一种设计阻尼复合材料的微结构，同时为了提高结构的可制造性，考虑制造约束的三明治阻尼复合结构的拓扑优化设计方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种1、一种考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、建立所述三明治阻尼复合结构的有限元模型；

步骤2、对所述有限元模型的阻尼层材料微结构进行有限元分析，计算其等效复弹性矩阵；

步骤3、根据所述等效复弹性矩阵，对所述三明治阻尼复合结构宏观性能进行有限元分析；

步骤4、计算考虑连接性约束的优化数学模型中对应的目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度；

步骤5、更新设计变量，其中微结构中四角点的密度作为强制性约束，在设计过程中保持不变；

步骤6、使用更新后的所述设计变量重新计算所述有限元模型中的目标函数和约束条件；若满足设计要求，则输出计算结果；若不满足设计要求，则重复所述步骤2至所述步骤5直至满足所述设计要求。

进一步地，所述设计方法的优化数学模型如式(1)：

其中：

X是所述设计变量，即所述阻尼层材料微结构的设计变量x_i；

式(a2)为目标函数；所述式(a2)中的第一项为结构阻尼目标函数，w_k为第k阶模态阻尼比的权重，当k_min＝k_max，仅对结构第k阶模态阻尼比进行优化，当k_mink_max时，以结构第k_min阶到第k_max阶阻尼比加权最大为目标进行优化；所述式(a2)中的第二项为密度梯度的能量泛函，其作用为保证设计结果的连接性，为势函数，选取s为自变量，│▽x│为单元密度梯度，Ω为设计域；γ是密度梯度能量泛函的加权因子；