本文關(guān)鍵詞：阻尼與主動控制結(jié)構(gòu)的動力學拓撲優(yōu)化方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學》 2015年

阻尼與主動控制結(jié)構(gòu)的動力學拓撲優(yōu)化方法

張曉鵬  

【摘要】：結(jié)構(gòu)的振動和噪聲控制長期以來受到學者和工程師的持續(xù)研究。特別地,在結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)阻尼材料層的被動控制方法和在結(jié)構(gòu)表面安裝壓電傳感器／作動器片的主動控制方法受到了越來越多的關(guān)注。顯然,在結(jié)構(gòu)中敷設(shè)滿布的阻尼材料層或壓電材料層在帶來額外質(zhì)量的同時也影響控制效果。為了達到最佳控制效果,尋找振動結(jié)構(gòu)中阻尼材料層或壓電材料層的最優(yōu)布局變得至關(guān)重要。 對于局部敷設(shè)阻尼材料或壓電材料的結(jié)構(gòu)來說,其結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)非比例阻尼特性,這給結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析和靈敏度分析帶來了很大的困難。本文著力解決這一困難,并基于拓撲優(yōu)化的基本思想,主要開展了如下工作：研究了以減小結(jié)構(gòu)振動和聲輻射特性為目標的振動結(jié)構(gòu)阻尼材料最優(yōu)拓撲布局問題；建立了結(jié)構(gòu)阻尼材料層和基體材料層聯(lián)合拓撲優(yōu)化方法；研究了主動控制下以減小振動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)為目標的壓電材料及其電極層最優(yōu)拓撲布局問題。主要研究內(nèi)容包括： 1.振動結(jié)構(gòu)阻尼材料層和基體材料層拓撲優(yōu)化方法。主要考慮了以減小簡諧激勵下結(jié)構(gòu)振動振幅為目標的結(jié)構(gòu)表面阻尼材料層最優(yōu)拓撲布局問題以及阻尼材料層和基體材料層聯(lián)合拓撲優(yōu)化問題。為了在優(yōu)化中獲得更加清晰的拓撲結(jié)果,提出了帶懲罰的人工阻尼材料模型。由于結(jié)構(gòu)表面部分區(qū)域敷設(shè)有阻尼材料,使得結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)非比例阻尼特性,因此在計算結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時采用了先降階再使用狀態(tài)空間下的復(fù)模態(tài)疊加法進行求解。在此基礎(chǔ)上,利用伴隨變量法推導了振幅響應(yīng)的靈敏度。 2.以減小振動結(jié)構(gòu)輻射聲壓為目標的阻尼材料層拓撲優(yōu)化方法。主要研究了簡諧激勵下以振動結(jié)構(gòu)聲輻射強度為目標的結(jié)構(gòu)阻尼材料最優(yōu)布局的拓撲優(yōu)化方法及相應(yīng)的靈敏度分析。在振動分析中使用有限元法對振動結(jié)構(gòu)進行離散,而在外聲場聲輻射分析中則使用了邊界元法對其離散。在此基礎(chǔ)上,利用伴隨變量法推導了指定位置參考點聲壓的靈敏度。在優(yōu)化問題中,通過尋求結(jié)構(gòu)表面阻尼材料層的最優(yōu)拓撲布局來實現(xiàn)最小化指定位置參考點聲壓的幅值。本文通過數(shù)值算例比較了不同阻尼系數(shù)、激振頻率以及參考點位置等因素對結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲結(jié)果的影響。 3.主動控制下結(jié)構(gòu)表面壓電材料最優(yōu)拓撲布局問題。主要研究了以達到最優(yōu)控制效果為目標的壓電智能結(jié)構(gòu)表面作動器層和傳感器層最優(yōu)拓撲布局問題。其中,壓電作動器層和傳感器層分布于基體層兩側(cè)并具有相同的拓撲分布,為減小結(jié)構(gòu)振動使用了基于速度負反饋的方式進行結(jié)構(gòu)振動的主動控制。在優(yōu)化模型中,指定頻率下結(jié)構(gòu)的動柔度或指定頻率帶內(nèi)的動柔度的凝聚函數(shù)被選作目標函數(shù)。在建立優(yōu)化問題模型中,采用同時懲罰壓電材料的力學和壓電屬性的人工壓電材料模型,并基于此進行了相應(yīng)的靈敏度分析。 4.以減小結(jié)構(gòu)聲輻射為目標的薄壁壓電智能結(jié)構(gòu)表面電極層拓撲優(yōu)化問題。本文建立了以減小振動結(jié)構(gòu)輻射聲壓的薄壁壓電智能結(jié)構(gòu)表面電極層拓撲優(yōu)化方法。在優(yōu)化模型中,選取指定參考點位置在指定載荷頻率或載荷頻率帶的聲壓幅值作為目標函數(shù)。引入了表征每一單元表面電極存在與否的虛擬密度變量,并建立虛擬密度與主動阻尼效應(yīng)之間的懲罰關(guān)系。每一壓電作動器表面作動電壓通過常系數(shù)速度負反饋(CGVF)的方式確定。 5.基于主動控制的壓電智能結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)動力學拓撲優(yōu)化。本文主要研究了以減小主動控制下壓電智能結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學響應(yīng)為目標的表面壓電作動器層和傳感器層最優(yōu)拓撲布局問題。具有主動阻尼效應(yīng)的壓電智能結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力學響應(yīng)通過直接時間積分法求得。在拓撲優(yōu)化的數(shù)學模型中,選取關(guān)心位置的位移響應(yīng)在指定時間段內(nèi)的積分為目標函數(shù)。為方便使用基于梯度的數(shù)學規(guī)劃方法求解優(yōu)化問題,給出了一般形式響應(yīng)的積分函數(shù)在指定時間段內(nèi)的靈敏度分析。數(shù)值算例證明所提的優(yōu)化方法能夠得到可行的壓電材料拓撲布局；所提的拓撲設(shè)計方法可以用于提供對瞬態(tài)動力學載荷下(特別是沖擊載荷下)壓電傳感器和作動器最優(yōu)布局設(shè)計的指導意見。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB535;O189
【目錄】：

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【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 隋允康;楊德慶;;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,聞邦椿,孟廣偉;智能結(jié)構(gòu)壓電執(zhí)行器位置的拓撲優(yōu)化[J];東北大學學報;2000年04期

3 隋允康,葉紅玲,杜家政;結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的發(fā)展及其模型轉(zhuǎn)化為獨立層次的迫切性[J];工程力學;2005年S1期

4 胡小偉;朱燈林;;基于板梁扭轉(zhuǎn)振動控制阻尼的壓電片拓撲形狀設(shè)計[J];河海大學學報(自然科學版);2008年01期

5 隋允康,楊德慶,孫煥純;統(tǒng)一骨架與連續(xù)體的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的ICM理論與方法[J];計算力學學報;2000年01期

6 顧松年,徐斌,榮見華,姜節(jié)勝;結(jié)構(gòu)動力學設(shè)計優(yōu)化方法的新進展[J];機械強度;2005年02期

7 林家浩;結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計發(fā)展綜述[J];力學進展;1983年04期

8 隋允康,于新;平面膜結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的有無復(fù)合體方法[J];力學學報;2001年03期

9 周克民,胡云昌;利用有限元構(gòu)造Michell桁架的一種方法[J];力學學報;2002年06期

10 錢振東,陳國平,朱德懋;約束阻尼層板的振動分析[J];南京航空航天大學學報;1997年05期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王曉明;特定功能結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化[D];大連理工大學;2010年

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊銘;重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計[J];四川建筑科學研究;1987年02期

2 張德和;;鋼筋混凝土平板最優(yōu)設(shè)計的探討[J];安徽工學院學報;1992年04期

3 張偉林;計算力學的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J];安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版);2001年02期

4 梅玉林;王曉明;;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;程耿東;;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

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張春玉;預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論及可靠性分析[D];哈爾濱工程大學;2010年

2 段志東;基于廣義模塊化設(shè)計的快鍛液壓機機架力學特性研究[D];蘭州大學;2010年

3 楊陳;低噪聲輕量化單缸柴油機的虛擬設(shè)計技術(shù)研究[D];浙江大學;2009年

4 盧兆剛;基于混合FE-SEA方法的汽車薄壁件中頻聲學特性預(yù)測及優(yōu)化研究[D];浙江大學;2011年

5 李建寶;聲子晶體帶隙調(diào)控的數(shù)值與實驗研究[D];北京交通大學;2011年

6 李亦文;車身結(jié)構(gòu)抗撞性問題的簡化建模及優(yōu)化方法研究[D];吉林大學;2011年

7 林哲祺;壓電結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)與構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計[D];大連理工大學;2011年

8 喬赫廷;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型討論及其應(yīng)用[D];大連理工大學;2011年

9 林鵬;質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的熱力耦合封裝力學研究[D];大連理工大學;2011年

10 孟兆新;木材干燥的多場耦合建模仿真與優(yōu)化研究[D];東北林業(yè)大學;2011年

【二級參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 隋允康;楊德慶;;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;拓撲優(yōu)化方法的研究現(xiàn)狀及在微機構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J];微納電子技術(shù);2003年Z1期

4 曹宗杰,聞邦椿,孟廣偉;智能結(jié)構(gòu)壓電執(zhí)行器位置的拓撲優(yōu)化[J];東北大學學報;2000年04期

5 林家浩;有頻率禁區(qū)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J];大連工學院學報;1981年01期

6 錢令希;我國結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)況[J];大連工學院學報;1982年03期

7 程耿東;關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的奇異最優(yōu)解[J];大連理工大學學報;2000年04期

8 程耿東，，張東旭;受應(yīng)力約束的平面彈性體的拓撲優(yōu)化[J];大連理工大學學報;1995年01期

9 程耿東，郭旭;考慮局部穩(wěn)定性約束的桁架拓撲優(yōu)化設(shè)計[J];大連理工大學學報;1995年06期

10 劉書田,曹先凡;零膨脹材料設(shè)計與模擬驗證[J];復(fù)合材料學報;2005年01期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 郭大蕾;車輛懸架振動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動控制[D];南京航空航天大學;2002年

2 翁建生;基于磁流變阻尼器的車輛懸架系統(tǒng)半主動控制[D];南京航空航天大學;2002年

3 趙國忠;壓電材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制方法及結(jié)構(gòu)屈曲優(yōu)化設(shè)計[D];大連理工大學;2001年

4 賈海朋;結(jié)構(gòu)與柔性機構(gòu)拓撲優(yōu)化[D];大連理工大學;2005年

5 郝秀春;電熱驅(qū)動微夾鉗的拓撲設(shè)計及相關(guān)問題研究[D];大連理工大學;2006年

6 段洪君;微型飛行器飛行姿態(tài)控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

7 呂建婷;三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

8 蔡坤;基于骨重建理論的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法[D];大連理工大學;2008年

9 王劍;壓電曲殼曲梁組合結(jié)構(gòu)的有限元分析和形狀控制[D];大連理工大學;2008年

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1 杜家政;隋允康;郭英喬;;同時滿足剛度和強度約束的框架拓撲優(yōu)化[J];計算力學學報;2008年03期

2 王慶;徐斌;何佳琦;;基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)動力學邊界條件優(yōu)化設(shè)計[J];機械科學與技術(shù);2012年11期

3 隋允康,于新,葉寶瑞;應(yīng)力和位移約束下桁架拓撲優(yōu)化的有無復(fù)合體方法[J];固體力學學報;2004年03期

4 李冬梅;張憲民;王念峰;管貽生;;基于可靠性約束的熱固耦合結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[J];華南理工大學學報(自然科學版);2011年06期

5 程耿東，張東旭;受應(yīng)力約束的平面彈性體的拓撲優(yōu)化[J];大連理工大學學報;1995年01期

6 龍凱;左正興;肖濤;;連續(xù)體拓撲優(yōu)化中的過濾算法研究[J];中國機械工程;2007年10期

7 龍凱;左正興;;諧響應(yīng)下的連續(xù)體拓撲優(yōu)化[J];中國機械工程;2007年13期

8 邱海;隋允康;葉紅玲;;頻率約束板結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[J];固體力學學報;2012年02期

9 龍凱;陳廣華;;基于物質(zhì)點描述的雙向漸進式拓撲優(yōu)化方法[J];工程力學;2012年08期

10 李志強;張運章;宋艷麗;;應(yīng)力和位移約束下連續(xù)結(jié)構(gòu)的有效拓撲優(yōu)化方法[J];應(yīng)用力學學報;2013年01期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 龍凱;肖濤;左正興;;動柔順度最小目標下的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法[A];第九屆全國振動理論及應(yīng)用學術(shù)會議論文集[C];2007年

2 曾金玲;;拓撲優(yōu)化技術(shù)在發(fā)動機零部件設(shè)計中的應(yīng)用[A];結(jié)構(gòu)及多學科優(yōu)化工程應(yīng)用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

3 邵沛澤;葉紅玲;陳寧;隋允康;;兩種不同過濾函數(shù)屈曲拓撲優(yōu)化模型理論推導[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

4 李剛;;結(jié)構(gòu)的多目標全局拓撲優(yōu)化——收斂性與效率準則[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 谷葉水;楊萬里;鄧曉龍;;發(fā)動機附件支架多工況拓撲優(yōu)化研究[A];結(jié)構(gòu)及多學科優(yōu)化工程應(yīng)用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

6 尚珍;隋允康;鐵軍;葉紅玲;;過濾函數(shù)間關(guān)系對拓撲優(yōu)化效率影響的初步研究[A];北京力學會第18屆學術(shù)年會論文集[C];2012年

7 黃永旺;袁登木;;多目標拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用[A];第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會暨2011全國計算機輔助工程（CAE）技術(shù)與應(yīng)用高級研討會論文集[C];2011年

8 顧亦磊;陳昌亞;;拓撲優(yōu)化技術(shù)在桁架設(shè)計中的應(yīng)用[A];結(jié)構(gòu)及多學科優(yōu)化工程應(yīng)用與理論研討會’2009（CSMO-2009）論文集[C];2009年

9 朱繼宏;張衛(wèi)紅;;基于單元替換的結(jié)構(gòu)漸進拓撲優(yōu)化方法[A];中國力學學會學術(shù)大會'2005論文摘要集（下）[C];2005年

10 豆麟龍;尹益輝;;考慮材料非線性的拓撲優(yōu)化研究綜述[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 高文;[N];計算機世界;2008年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 胡三寶;多學科拓撲優(yōu)化方法研究[D];華中科技大學;2011年

2 陳志敏;基于文化基因算法的拓撲優(yōu)化方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華中科技大學;2010年

3 王曉明;特定功能結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化[D];大連理工大學;2010年

4 李順利;無網(wǎng)格自然鄰接點Petrov-Galerkin法及其在結(jié)構(gòu)分析和拓撲優(yōu)化中的應(yīng)用[D];湖南大學;2011年

5 韋勇;阻尼結(jié)構(gòu)的建模、識別和拓撲優(yōu)化研究[D];南京航空航天大學;2006年

6 徐勝利;基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)剛度和滲流多功能材料設(shè)計[D];大連理工大學;2010年

7 喬赫廷;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型討論及其應(yīng)用[D];大連理工大學;2011年

8 左孔天;連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化理論與應(yīng)用研究[D];華中科技大學;2004年

9 孫士平;材料和結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化關(guān)鍵理論與方法研究[D];西北工業(yè)大學;2006年

10 薛曉光;基于能量流分析的結(jié)構(gòu)動力學拓撲優(yōu)化理論與方法研究[D];國防科學技術(shù)大學;2013年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉婉秋;桿系結(jié)構(gòu)基于可靠性的拓撲優(yōu)化研究[D];大連理工大學;2006年

2 曾興國;基于移動粒子法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究[D];湘潭大學;2011年

3 周常榮;移動粒子法拓撲優(yōu)化效率影響因素的研究[D];湘潭大學;2012年

4 倪君杰;骨骼重建拓撲優(yōu)化方法的理論研究和數(shù)值模擬[D];北京工業(yè)大學;2009年

5 李朕;散熱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[D];華中科技大學;2008年

6 楊振興;汽車與機械結(jié)構(gòu)動力學拓撲優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究[D];長沙理工大學;2005年

7 李玉霞;刮板輸送機軌座的拓撲優(yōu)化分析[D];河北工業(yè)大學;2006年

8 魏永保;基于修正移動粒子法的拓撲優(yōu)化研究[D];湘潭大學;2013年

9 張程燮;基于拓撲優(yōu)化的柔順機構(gòu)應(yīng)力強度設(shè)計方法研究[D];東華大學;2011年

10 邢曉娟;基于數(shù)學規(guī)劃求解的拓撲優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究[D];長沙理工大學;2008年

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