仿生加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化與隔聲性能研究.pdf

1、加筋薄板結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗振減噪等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。通常此類結(jié)構(gòu)的性能在很大程度上依賴于加強(qiáng)筋的布局。工程中常用的拓?fù)鋬?yōu)化方法只能得到加強(qiáng)筋的大致分布區(qū)域，現(xiàn)有的薄板加筋仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)研究通常只針對(duì)特定的工程問(wèn)題。本文從雙子葉植物脈序形成機(jī)理中獲得啟發(fā)，得出一種具有普遍適用性且不需要繁復(fù)后處理即可獲得清晰加筋布局的仿生設(shè)計(jì)方法。鑒于目前對(duì)于仿生筋板的性能研究多為靜力學(xué)特性和基頻分析，本文通過(guò)研究薄板的靜載撓度、低階固有頻率和

2、動(dòng)載頻率響應(yīng)，全面分析仿生脈序加筋薄板的力學(xué)性能。同時(shí)，為進(jìn)一步分析薄板加筋結(jié)構(gòu)的減振降噪性能，對(duì)仿生加筋板這種形狀不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔聲性能研究。使得植物仿生方法不僅為工程力學(xué)應(yīng)用提供靈感，也為工程聲學(xué)應(yīng)用提供一種新的思路。本文主要研究工作如下：
　　闡述了適用于優(yōu)化薄板結(jié)構(gòu)加筋布局的仿脈序生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容。在總結(jié)和提煉雙子葉植物脈序形態(tài)形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了基于仿生脈序生長(zhǎng)算法的優(yōu)化模型，得出了薄板加強(qiáng)筋布局的仿脈

3、序生長(zhǎng)設(shè)計(jì)流程。加強(qiáng)筋從給定的“種子”位置出發(fā)，沿著使結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小的方向分枝和生長(zhǎng)，同時(shí)退化對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)小的加強(qiáng)筋，逐步形成最優(yōu)的加筋布局。以單元靈敏度數(shù)作為判斷加筋單元生長(zhǎng)和退化的準(zhǔn)則，確定了仿生脈序生長(zhǎng)算法的主要參數(shù)，包括種子位置的選取、退化率和收斂率的設(shè)置。利用該方法成功模擬了大自然界中典型的羽狀葉、掌狀葉和圓葉的脈絡(luò)分布，驗(yàn)證了仿生脈序方法在生物原型研究方面的有效性。
　　對(duì)仿生脈序加筋薄板的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。利

4、用仿生脈序生長(zhǎng)法對(duì)三種典型工況下（邊緣受集中載荷的單邊固支板、中心受集中載荷的四角固支板和鄰邊固支板）的薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加筋布局設(shè)計(jì)。對(duì)比仿生優(yōu)化板與傳統(tǒng)正交板、無(wú)筋基板的相應(yīng)力學(xué)性能，結(jié)果表明本文所得的仿生脈序加筋布局薄板具有更為優(yōu)秀的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。綜合三種工況，仿生優(yōu)化板相比于傳統(tǒng)正交板在靜載作用時(shí)最大變形降低了35.1％-58.7%；各低階固有頻率值均有不同程度的提高，基頻提高了23.2%-89.0%；動(dòng)載荷作用時(shí)最大共振幅值

5、降低了28.4%-66.5%。
　　研究了仿生脈序加筋薄板的隔聲性能。分析了典型的單層有限大小均質(zhì)薄板的隔聲頻率特性曲線，利用耦合邊界元-有限元方法建立薄板隔聲量計(jì)算模型，同樣對(duì)比三種典型工況下仿生優(yōu)化板、傳統(tǒng)正交布局板和無(wú)筋基板的隔聲性能，結(jié)果表明仿生脈序加筋布局薄板具有更為優(yōu)秀的隔聲性能。綜合三種工況，仿生優(yōu)化板在剛度控制區(qū)的隔聲量提高了7.9-15.3dB；模態(tài)共振頻率向高頻移動(dòng)，且隔聲低谷變淺；質(zhì)量控制區(qū)隔聲量提高了1.1