本發(fā)明涉及一種雙材料自由阻尼層結(jié)構(gòu)多尺度設(shè)計(jì)方法，其特征在于，阻尼層由周期性材料組成，材料的單胞由兩相阻尼材料構(gòu)成，一相用于保證結(jié)構(gòu)剛度的高剛度相材料，一相用于提高結(jié)構(gòu)阻尼的高阻尼相材料。其實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：建立表面涂覆阻尼層的自由阻尼層結(jié)構(gòu)多尺度設(shè)計(jì)有限元模型；對(duì)模型進(jìn)行微觀和宏觀尺度上有限元分析；分別對(duì)微觀和宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析；采用移動(dòng)漸近線算法更新設(shè)計(jì)變量；使用更新后的設(shè)計(jì)變量計(jì)算結(jié)構(gòu)的性能，若滿足設(shè)計(jì)要求，停止迭代輸出計(jì)算結(jié)果，反之，重復(fù)上述步驟直至滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)本發(fā)明能夠得到在宏微觀兩個(gè)尺度上均是最優(yōu)的自由阻尼層結(jié)構(gòu)，有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼特性，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自由阻尼層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種雙材料自由阻尼層結(jié)構(gòu)多尺度設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

薄壁金屬結(jié)構(gòu)由于其高剛輕質(zhì)特性廣泛應(yīng)用于航空航天、航海和汽車等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)中。然而由于薄壁金屬結(jié)構(gòu)本身阻尼小、輻射面積大、輻射效率高，在外部激勵(lì)下更易引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，振動(dòng)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能衰減。自由阻尼層結(jié)構(gòu)實(shí)施簡(jiǎn)單，可以在較寬的頻帶和溫度范圍內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)起到減振降噪作用，因此廣泛應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)的減振設(shè)計(jì)中。但是單一的阻尼材料或者剛度較大阻尼較小，或者是剛度較小阻尼大，且不能針對(duì)每個(gè)特定的工程需求研發(fā)對(duì)應(yīng)的阻尼材料，難以滿足工程設(shè)計(jì)的需求。

理想的自由阻尼層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有宏微觀兩種特性：在宏觀尺度上，阻尼材料在薄壁金屬結(jié)構(gòu)上的分布具有最優(yōu)分布形態(tài)；在微觀結(jié)構(gòu)上，阻尼材料自身具有基于設(shè)計(jì)需求的最優(yōu)材料性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：將宏觀阻尼材料分布設(shè)計(jì)和微觀阻尼材料性能設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)用于自由阻尼層結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)中。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種雙材料自由阻尼層結(jié)構(gòu)多尺度設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在雙材料自由阻尼層結(jié)構(gòu)中，宏觀尺度上，阻尼層由周期性材料組成；微觀尺度上，周期性材料的單胞由兩相阻尼材料構(gòu)成，一相用于保證結(jié)構(gòu)剛度的高剛度相材料，一相用于提高結(jié)構(gòu)阻尼的高阻尼相材料。通過(guò)兩相性能相反材料的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度和阻尼性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)過(guò)程包括以下步驟：

步驟1、建立表面涂覆阻尼層結(jié)構(gòu)的金屬薄板層次結(jié)構(gòu)多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元模型，其中，阻尼層結(jié)構(gòu)由兩相材料組成，一相材料為高剛度低阻尼材料，另一相材料為低剛度高阻尼材料；

步驟2、對(duì)有限元模型進(jìn)行微觀尺度上有限元分析：

使用均勻化方法計(jì)算微結(jié)構(gòu)單胞的等效復(fù)彈性矩陣D^H：

式中，|V|是微結(jié)構(gòu)單胞的體積，V_i是微結(jié)構(gòu)單胞上第i個(gè)單元的體積，b是微結(jié)構(gòu)單胞的單元應(yīng)變矩陣，p是懲罰因子，D₁和D₂分別為低阻尼高剛度材料和高剛度低阻尼材料的彈性矩陣，u_i為單胞的單元位移矩陣，I為單位矩陣，x_i為微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，m為微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量x_i的總數(shù)目；

步驟3、對(duì)有限元模型進(jìn)行宏觀尺度上有限元分析：

使用等效復(fù)彈性矩陣D^H計(jì)算宏觀單元的剛度矩陣，并組裝得到全局剛度矩陣K^v，隨后組裝質(zhì)量矩陣，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并用模態(tài)應(yīng)變能法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài)損耗因子，其中：

式中，為宏觀結(jié)構(gòu)的第j個(gè)單元的剛度矩陣，Ω為宏觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)域，B為對(duì)應(yīng)的單元應(yīng)變矩陣，y_j為宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，n為宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量y_j的總數(shù)目；

步驟4、靈敏度分析：

分別對(duì)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量x_i及宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量y_j進(jìn)行靈敏度分析；