[发明专利]双材料自由阻尼层结构多尺度设计方法

说明书

本发明涉及一种双材料自由阻尼层结构多尺度设计方法，其特征在于，阻尼层由周期性材料组成，材料的单胞由两相阻尼材料构成，一相用于保证结构刚度的高刚度相材料，一相用于提高结构阻尼的高阻尼相材料。其实现包括以下步骤：建立表面涂覆阻尼层的自由阻尼层结构多尺度设计有限元模型；对模型进行微观和宏观尺度上有限元分析；分别对微观和宏观结构设计变量进行灵敏度分析；采用移动渐近线算法更新设计变量；使用更新后的设计变量计算结构的性能，若满足设计要求，停止迭代输出计算结果，反之，重复上述步骤直至满足设计要求。通过本发明能够得到在宏微观两个尺度上均是最优的自由阻尼层结构，有效提高结构的刚度和阻尼特性，减小结构的振动。

技术领域

本发明涉及一种自由阻尼层结构设计方法，特别涉及一种双材料自由阻尼层结构多尺度设计方法。

背景技术

薄壁金属结构由于其高刚轻质特性广泛应用于航空航天、航海和汽车等领域结构中。然而由于薄壁金属结构本身阻尼小、辐射面积大、辐射效率高，在外部激励下更易引起振动，产生噪声，振动需要较长时间才能衰减。自由阻尼层结构实施简单，可以在较宽的频带和温度范围内对结构起到减振降噪作用，因此广泛应用于薄壁结构的减振设计中。但是单一的阻尼材料或者刚度较大阻尼较小，或者是刚度较小阻尼大，且不能针对每个特定的工程需求研发对应的阻尼材料，难以满足工程设计的需求。

理想的自由阻尼层结构应具有宏微观两种特性：在宏观尺度上，阻尼材料在薄壁金属结构上的分布具有最优分布形态；在微观结构上，阻尼材料自身具有基于设计需求的最优材料性能。

发明内容

本发明的目的是：将宏观阻尼材料分布设计和微观阻尼材料性能设计同时应用于自由阻尼层结构抗振设计中。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种双材料自由阻尼层结构多尺度设计方法，其特征在于，在双材料自由阻尼层结构中，宏观尺度上，阻尼层由周期性材料组成；微观尺度上，周期性材料的单胞由两相阻尼材料构成，一相用于保证结构刚度的高刚度相材料，一相用于提高结构阻尼的高阻尼相材料。通过两相性能相反材料的竞争机制实现结构刚度和阻尼性能最优的设计。其设计过程包括以下步骤：

步骤1、建立表面涂覆阻尼层结构的金属薄板层次结构多尺度优化设计的有限元模型，其中，阻尼层结构由两相材料组成，一相材料为高刚度低阻尼材料，另一相材料为低刚度高阻尼材料；

步骤2、对有限元模型进行微观尺度上有限元分析：

使用均匀化方法计算微结构单胞的等效复弹性矩阵D^H：

式中，|V|是微结构单胞的体积，V_i是微结构单胞上第i个单元的体积，b是微结构单胞的单元应变矩阵，p是惩罚因子，D₁和D₂分别为低阻尼高刚度材料和高刚度低阻尼材料的弹性矩阵，u_i为单胞的单元位移矩阵，I为单位矩阵，x_i为微观结构设计变量，m为微观结构设计变量x_i的总数目；

步骤3、对有限元模型进行宏观尺度上有限元分析：

使用等效复弹性矩阵D^H计算宏观单元的刚度矩阵，并组装得到全局刚度矩阵K^v，随后组装质量矩阵，对结构进行模态分析，并用模态应变能法计算结构的模态损耗因子，其中：

式中，为宏观结构的第j个单元的刚度矩阵，Ω为宏观结构的设计域，B为对应的单元应变矩阵，y_j为宏观结构设计变量，n为宏观结构设计变量y_j的总数目；

步骤4、灵敏度分析：

分别对微观结构设计变量x_i及宏观结构设计变量y_j进行灵敏度分析；