复杂结构的阻尼减振理论及设计方法研究.pdf

中图分类号:U4383 学科分类号:080203 论文编号:1028701 博士学位论文复杂结构的阻尼减振理论及设计方法研究研究生姓名学科、专业研究方向指导教师王明旭机械设计及理论振动与噪声控制陈教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二0—0年十二月 Nanjing University ofAeronautics andAstronautics The Graduate School College ofAerospace Engineering Vibration Suppression Theor3 and Designlleory an of V l 0I Damping plex Structure A砀esis in MechanicalDesign andTheory by Wang Mingxu Advised by Guoping Submitted inPartialFulfillment oftheRequirements fortheDegree of Doctor ofPhilosophy December,2010 承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名:&迅么叠∑ El期:倒,3。f O 南京航空航天大学博士学位论文摘要工程结构的振动控制中,铺设阻尼材料和安装阻尼器的方法被广泛地用以改善结构的动力学性能。上述方法的实施能够有效地减少结构的振动幅度,使其限制在结构可以承受的范围之内。在某些特殊领域,经典的铺设阻尼材料和安装阻尼器的方法不能实现设计目的,诸如飞行器结构振动控制。由于对结构本身重量有严格要求,采用粘贴阻尼材料和安装阻尼器对结构减振时,需要严格限制粘贴材料的用量和安装阻尼器的重量;此外,需要结合复杂的外界环境条件,解决在复杂结构上合理铺设约束阻尼材料和有效布置阻尼器的问题,实现复杂结构的动力学性能优化设计。基于此,本文针对复杂结构的阻尼减振理论及设计方法,主要从以下方面进行了研究: (1)首先,在频域内研究了粘弹性阻尼材料的动力学特性,总结了阻尼材料的阻尼模型及阻尼结构形式。其次,利用能量方法并根据虚功原理对约束阻尼板的振动方程进行建模,采用有限元方法对不同粘弹性性阻尼模型的约束阻尼结构的动力学方程进行了求解,得到了结构的模态阻尼比,分析了阻尼层厚度和泊松比对结构模态阻尼比的影响。最后,引入了Krylov缩聚理论,并论证了将其应用于约束阻尼结构的动力学性能拓扑优化的可行性。(2)采用了变密度拓扑优化方法对约束阻尼板结构约束层和阻尼层布局优化问题进行了研究。以体积为约束函数、模态阻尼比为目标函数,推导出模态阻尼比的敏度,引入MAC矩阵跟踪优化模态振型,以保证对固定阶的模态进行优化。给出了约束阻尼层板动力学性能的变密度优化方法,得到了约束阻尼层的最优拓扑构形。为了有效的抑制棋盘格现象,采用节点变密度方法并引入变周长上限方法对板结构的约束阻尼层进行了布局优化,并得到了一定材料用量下约束阻尼层最优的布局。(3)根据Love’S假设和薄壳理论,对约束阻尼圆柱壳的动力方程进行了理论分析。首先, 基于拓扑优化思想,提出一种新的以约束层和阻尼层铺设体积为约束条件、模态阻尼比函数为目标的拓扑优化数学模型:其次,利用拓扑优化分析方法,得到了阻尼材料用量一定的情况下、结构的模态阻尼比函数值最大的阻尼材料分布构形。数值仿真验证了所提方法的有效性。(4)针对振动系统中阻尼器位置及参数优化问题,提出了分步优化方法,考虑阻尼器自身重量的影响,对一般阻尼结构模态阻尼比位置灵敏度进行了分析,建立了阻尼器位置优化模型。利用李亚谱诺夫方程建立结构能量最小为优化准则的目标函数,进行数值计算确定阻尼器的参数:基于结构势能最小的原理提出以结构位移响应幅值的平方为目标函数,对受外界载荷作用下的结构进行合理布置相应参数的阻尼器,达到改善结构动力学性能,降低结构动响应水平的目的,并通过相应的工程实例对所提方法进行了验证。(5)工程中,有些结构经常受到强烈的振动与冲击、高分贝噪声或恶劣的气象条件作用, 复杂结构的阻尼减振理论及设计方法研究导致结构寿命降低、仪表失灵,从而诱发一系列严重事故的问题。采用在结构中粘贴粘弹性材料和布置阻尼器的方法对结构的动力学性能进行优化,以提高结构的稳定性。提出了整体——局部——整体的设计思路,并采