基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的振動(dòng)應(yīng)力過大的問題。具體方法是：將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的內(nèi)壁，構(gòu)件約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒的有限元模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析。確定約束阻尼材料的使用量和所關(guān)注的模態(tài)，提取阻尼層的模態(tài)應(yīng)變能分布，根據(jù)約束阻尼材料的使用量和阻尼層的應(yīng)變能分布確定約束阻尼材料的布置位置。為了工程實(shí)施的方便，將約束阻尼材料的布置位置修整為環(huán)形。本發(fā)明在附加一定約束阻尼材料使用量的情況下，能快速的確定約束阻尼材料的布置位置，使約束阻尼鼓筒具有很好的減振效果。
【專利說明】基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]阻尼結(jié)構(gòu)能有效抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、艦船等行業(yè)。在傳統(tǒng)的阻尼結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)中，將阻尼材料覆蓋于整個(gè)結(jié)構(gòu)的表面，有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的同時(shí)，也增加了結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量。在傳統(tǒng)減振設(shè)計(jì)中，僅僅通過阻尼材料類型、層數(shù)和厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然能夠得到很好的減振效果，但會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量，無法以最小的阻尼材料用量，達(dá)到最大的振動(dòng)能量耗散，很難滿足結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)要求。
[0003]傳統(tǒng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，會(huì)進(jìn)行反復(fù)的迭代運(yùn)算，不斷重復(fù)的進(jìn)行模態(tài)分析及相關(guān)數(shù)據(jù)的提取計(jì)算，大大增加了優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間。
[0004]目前也存在將阻尼材料粘貼于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的內(nèi)壁，構(gòu)成約束阻尼鼓筒，以減小阻尼鼓筒的振動(dòng)的技術(shù)，但是該技術(shù)仍然存在著阻尼材料布局不科學(xué)，阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算過程復(fù)雜的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它采用提取阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能分布的方法，消除了迭代計(jì)算，能直接獲得約束阻尼材料的最終分布。
[0006]本發(fā)明的目的是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其具體步驟如下:
[0007]I)將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的內(nèi)壁，構(gòu)成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，定義邊界條件；
[0008]2)確定所關(guān)注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量；
[0009]3)對建立的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并提取所關(guān)注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應(yīng)變倉泛;
[0010]4)根據(jù)約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理，確定約束阻尼材料的布置位置；
[0011]5)將約束阻尼材料布局修整為適合于工程應(yīng)用的環(huán)形結(jié)構(gòu)，完成約束阻尼材料的布局優(yōu)化。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟I)中約束阻尼鼓筒的有限元建模采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結(jié)構(gòu)的有限元模型，再擴(kuò)展為整個(gè)約束阻尼鼓筒的有限元模型。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟4)中約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理為:
[0014]對單位體積的阻尼材料而言，在交變應(yīng)力或應(yīng)變力作用下，每次循環(huán)所做的功，SP在一個(gè)振動(dòng)周期中的能量的損耗或阻尼能用AW表示:
[0015]Δ『=Ii rd,d y = = π?(]
[0016]最大彈性能即一個(gè)振動(dòng)周期之內(nèi)總應(yīng)變能W為:
II ,,
[0017]W =-T0Y0Cosa=-Y-G
[0018]因此，耗散能與儲(chǔ)存能之比為:
Λ H, ^^
[0019]-= In tan a = 2πη
W
[0020]即
AIV
[0021]η =-1nW
[0022]粘彈性阻尼材料的損耗因子η表示每循環(huán)振動(dòng)所耗散的振動(dòng)能量與最大應(yīng)變能量的比值。
[0023]進(jìn)一步的，步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據(jù)阻尼單元的模態(tài)應(yīng)變能的大小進(jìn)行排序，刪除模態(tài)應(yīng)變能小的阻尼單元的約束阻尼材料，直到滿足約束阻尼材料的使用量。
[0024]進(jìn)一步的，步驟5)中所述的將約束阻尼材料修整為環(huán)形的方法為:計(jì)算優(yōu)化的約束阻尼鼓筒的周向上每一環(huán)約束阻尼單元應(yīng)變能的總和，在保持約束阻尼材料不變的情況下，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復(fù)為實(shí)體單元，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和小的環(huán)上的約束阻尼單元全部刪除。
[0025]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明采用提取約束阻尼材料模態(tài)應(yīng)變能的方法，獲得約束阻尼材料的優(yōu)化布局。在對約束阻尼材料布局優(yōu)化的過程中，免去了常規(guī)優(yōu)化方法的迭代計(jì)算過程，大大減少了計(jì)算時(shí)間，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。
[0027]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實(shí)現(xiàn)和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]本發(fā)明的【專利附圖】

【附圖說明】如下。
[0029]圖1為本發(fā)明鼓筒的三維圖；
[0030]圖2為1/24有限元模型；
[0031]圖3為約束阻尼鼓筒的有限元模型；
[0032]圖4為修整的環(huán)狀約束阻尼帶。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0034]如圖1所示的鼓筒，采用約束阻尼材料來抑制鼓筒的振動(dòng)，鼓筒的楊氏模量200GPa，密度7900Kg/m3，泊松比0.25 ;阻尼層厚0.00005m，楊氏模量12MPa，密度1200Kg/m3,泊松比0.495，損耗因子0.5 ;約束層厚0.00013m,楊氏模量70GPa，密度2700Kg/m3，泊松比0.3。鼓筒的螺栓孔處為全約束，以第一階模態(tài)為關(guān)注的對象，約束阻尼材料使用量為全覆蓋的50%。對約束阻尼材料的布局進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟為:
[0035]I)將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的內(nèi)壁，構(gòu)成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，定義邊界條件；
[0036]2)確定所關(guān)注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量；
[0037]3)對建立的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并提取所關(guān)注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應(yīng)變倉泛;
[0038]4)根據(jù)約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理，確定約束阻尼材料的布置位置；
[0039]5)將約束阻尼材料布局修整為適合于工程應(yīng)用的環(huán)形結(jié)構(gòu)，完成約束阻尼材料的布局優(yōu)化。
[0040]且步驟I)中約束阻尼鼓筒的有限元建模采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結(jié)構(gòu)的有限元模型，再擴(kuò)展為整個(gè)約束阻尼鼓筒的有限元模型。
[0041]且步驟4)中約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理為:
[0042]對單位體積的阻尼材料而言，在交變應(yīng)力或應(yīng)變力作用下，每次循環(huán)所做的功，SP在一個(gè)振動(dòng)周期中的能量的損耗或阻尼能用AW表示:
[0043]AW 二 If rd-7dl/ = ^αγησ.二 πγ$'

V
[0044]最大彈性能即一個(gè)振動(dòng)周期之內(nèi)總應(yīng)變能W為:
II ,,
[0045]Wr = Jf0X0Cosa =-γ-G
[0046]因此，耗散能與儲(chǔ)存能之比為:
Air ,,
[0047]-= 2π tan a = 2πη
W
[0048]即
AlV
[0049]7 = ^7

λκ\\
[0050]粘彈性阻尼材料的損耗因子η表示每循環(huán)振動(dòng)所耗散的振動(dòng)能量與最大應(yīng)變能量的比值。
[0051]且步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據(jù)阻尼單元的模態(tài)應(yīng)變能的大小進(jìn)行排序，刪除模態(tài)應(yīng)變能小的阻尼單元的約束阻尼材料，直到滿足約束阻尼材料的使用量。
[0052]且步驟5)中所述的將約束阻尼材料修整為環(huán)形的方法為:計(jì)算優(yōu)化的約束阻尼鼓筒的周向上每一環(huán)約束阻尼單元應(yīng)變能的總和，在保持約束阻尼材料不變的情況下，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復(fù)為實(shí)體單元，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和小的環(huán)上的約束阻尼單元全部刪除。
[0053]修整為環(huán)形的拓?fù)錁?gòu)型如圖4所示。
[0054]全覆蓋的約束阻尼鼓筒的一階模態(tài)損耗因子為0.0011，而約束阻尼材料使用量為全覆蓋50%的環(huán)形構(gòu)型的約束阻尼鼓筒一階模態(tài)損耗因子為0.00095。從結(jié)果中可以看出，約束阻尼材料使用量減少了 50%，而第一階的模態(tài)損耗因子只減少了 0.00006，優(yōu)化的約束阻尼鼓筒仍具有很好的減振效果。
[0055]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒的內(nèi)壁，構(gòu)成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，定義邊界條件； 2)確定所關(guān)注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量； 3)對建立的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并提取所關(guān)注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應(yīng)變能； 4)根據(jù)約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理，確定約束阻尼材料的布置位置； 5)將約束阻尼材料布局修整為適合于工程應(yīng)用的環(huán)形結(jié)構(gòu)，完成約束阻尼材料的布局優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟I)中約束阻尼鼓筒的有限元建模采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結(jié)構(gòu)的有限元模型，再擴(kuò)展為整個(gè)約束阻尼鼓筒的有限元模型。
3.如權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4)中約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理為: 對單位體積的阻尼材料而言，在交變應(yīng)力或應(yīng)變力作用下，每次循環(huán)所做的功，即在一個(gè)振動(dòng)周期中的能量的損耗或阻尼能用AW表示:
AW = JJτ?γ?ν - ητ^γ^α - πγΙθ'

V 最大彈性能即一個(gè)振動(dòng)周期之內(nèi)總應(yīng)變能W為: 因此，耗散能與儲(chǔ)存能之比為: ^ = In ^ a = Inn W 即
AW TJ =-
2πΨ 粘彈性阻尼材料的損耗因子Π表示每循環(huán)振動(dòng)所耗散的振動(dòng)能量與最大應(yīng)變能量的比值。
4.如權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據(jù)阻尼單元的模態(tài)應(yīng)變能的大小進(jìn)行排序，刪除模態(tài)應(yīng)變能小的阻尼單元的約束阻尼材料，直到滿足約束阻尼材料的使用量。
5.如權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)應(yīng)變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟5)中所述的將約束阻尼材料修整為環(huán)形的方法為:計(jì)算優(yōu)化的約束阻尼鼓筒的周向上每一環(huán)約束阻尼單元應(yīng)變能的總和，在保持約束阻尼材料不變的情況下，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復(fù)為實(shí)體單元，將約束阻尼單元應(yīng)變能總和小的環(huán)上的約束阻尼單元全部刪除。
【文檔編號】G06F17/50GK104252564SQ201410478483
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】鄭玲, 房占鵬, 唐重才, 李以農(nóng) 申請人:重慶大學(xué)