基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，用于解決航空發(fā)動機鼓筒的振動應力過大的問題。具體方法是：將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動機鼓筒的內壁，構件約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒的有限元模型，對其進行模態(tài)分析。確定約束阻尼材料的使用量和所關注的模態(tài)，提取阻尼層的模態(tài)應變能分布，根據約束阻尼材料的使用量和阻尼層的應變能分布確定約束阻尼材料的布置位置。為了工程實施的方便，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)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結構優(yōu)化設計方法，特別涉及一種基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法。

【背景技術】
[0002]阻尼結構能有效抑制結構的振動與噪聲，廣泛應用于汽車、航空航天、艦船等行業(yè)。在傳統(tǒng)的阻尼結構減振設計中，將阻尼材料覆蓋于整個結構的表面，有效抑制結構振動和噪聲的同時，也增加了結構的附加質量。在傳統(tǒng)減振設計中，僅僅通過阻尼材料類型、層數(shù)和厚度的優(yōu)化設計，雖然能夠得到很好的減振效果，但會大大增加結構的附加質量，無法以最小的阻尼材料用量，達到最大的振動能量耗散，很難滿足結構輕量化的設計要求。
[0003]傳統(tǒng)的約束阻尼結構優(yōu)化計算，會進行反復的迭代運算，不斷重復的進行模態(tài)分析及相關數(shù)據的提取計算，大大增加了優(yōu)化計算的時間。
[0004]目前也存在將阻尼材料粘貼于航空發(fā)動機鼓筒的內壁，構成約束阻尼鼓筒，以減小阻尼鼓筒的振動的技術，但是該技術仍然存在著阻尼材料布局不科學，阻尼結構優(yōu)化計算過程復雜的技術問題。


【發(fā)明內容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，它采用提取阻尼結構模態(tài)應變能分布的方法，消除了迭代計算，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方案實現(xiàn)的，一種基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，其具體步驟如下:
[0007]I)將約束阻尼材料粘貼于航空發(fā)動機鼓筒的內壁，構成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結構的有限元模型，定義邊界條件；
[0008]2)確定所關注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量；
[0009]3)對建立的有限元模型進行模態(tài)分析，并提取所關注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應變倉泛;
[0010]4)根據約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結構的耗能原理，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用的環(huán)形結構，完成約束阻尼材料的布局優(yōu)化。
[0012]進一步的，所述步驟I)中約束阻尼鼓筒的有限元建模采用循環(huán)對稱結構的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結構的有限元模型，再擴展為整個約束阻尼鼓筒的有限元模型。
[0013]進一步的，所述步驟4)中約束阻尼結構的耗能原理為:
[0014]對單位體積的阻尼材料而言，在交變應力或應變力作用下，每次循環(huán)所做的功，SP在一個振動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]最大彈性能即一個振動周期之內總應變能W為:
II ,,
[0017]W =-T0Y0Cosa=-Y-G
[0018]因此，耗散能與儲存能之比為:
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)振動所耗散的振動能量與最大應變能量的比值。
[0023]進一步的，步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據阻尼單元的模態(tài)應變能的大小進行排序，刪除模態(tài)應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，將約束阻尼單元應變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復為實體單元，將約束阻尼單元應變能總和小的環(huán)上的約束阻尼單元全部刪除。
[0025]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
[0026]本發(fā)明采用提取約束阻尼材料模態(tài)應變能的方法，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)化方法的迭代計算過程，大大減少了計算時間，提高了優(yōu)化設計的效率。
[0027]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現(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。

【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[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，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)動機鼓筒的內壁，構成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結構的有限元模型，定義邊界條件；
[0036]2)確定所關注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量；
[0037]3)對建立的有限元模型進行模態(tài)分析，并提取所關注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應變倉泛;
[0038]4)根據約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結構的耗能原理，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用的環(huán)形結構，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)對稱結構的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結構的有限元模型，再擴展為整個約束阻尼鼓筒的有限元模型。
[0041]且步驟4)中約束阻尼結構的耗能原理為:
[0042]對單位體積的阻尼材料而言，在交變應力或應變力作用下，每次循環(huán)所做的功，SP在一個振動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]最大彈性能即一個振動周期之內總應變能W為:
II ,,
[0045]Wr = Jf0X0Cosa =-γ-G
[0046]因此，耗散能與儲存能之比為:
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)振動所耗散的振動能量與最大應變能量的比值。
[0051]且步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據阻尼單元的模態(tài)應變能的大小進行排序，刪除模態(tài)應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，將約束阻尼單元應變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復為實體單元，將約束阻尼單元應變能總和小的環(huán)上的約束阻尼單元全部刪除。
[0053]修整為環(huán)形的拓撲構型如圖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)形構型的約束阻尼鼓筒一階模態(tài)損耗因子為0.00095。從結果中可以看出，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，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，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)動機鼓筒的內壁，構成約束阻尼鼓筒，建立約束阻尼鼓筒結構的有限元模型，定義邊界條件； 2)確定所關注的模態(tài)和約束阻尼材料的使用量； 3)對建立的有限元模型進行模態(tài)分析，并提取所關注模態(tài)的阻尼層的模態(tài)應變能； 4)根據約束阻尼材料的使用量和約束阻尼結構的耗能原理，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用的環(huán)形結構，完成約束阻尼材料的布局優(yōu)化。
2.如權利要求1所述的基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，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)對稱結構的建模方法，即先建立約束阻尼鼓筒的子結構的有限元模型，再擴展為整個約束阻尼鼓筒的有限元模型。
3.如權利要求1所述的基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟4)中約束阻尼結構的耗能原理為: 對單位體積的阻尼材料而言，在交變應力或應變力作用下，每次循環(huán)所做的功，即在一個振動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 最大彈性能即一個振動周期之內總應變能W為: 因此，耗散能與儲存能之比為: ^ = 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)振動所耗散的振動能量與最大應變能量的比值。
4.如權利要求1所述的基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟4)確定約束阻尼材料布置位置的方法為:根據阻尼單元的模態(tài)應變能的大小進行排序，刪除模態(tài)應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.如權利要求1所述的基于模態(tài)應變能法的約束阻尼鼓筒的減振優(yōu)化設計方法，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，將約束阻尼單元應變能總和大的環(huán)上刪除的約束阻尼單元重新恢復為實體單元，將約束阻尼單元應變能總和小的環(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)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】鄭玲, 房占鵬, 唐重才, 李以農 申請人:重慶大學