基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

Effect of variable-angle trajectory structure on mechanical performance of CF/PEEK laminates made by robotic fiber placement

In comparison to the traditional fixed-angle trajectory, the variable-angle trajectory has a greater design space. However, it is a challenge to determine which common design curve structure is the most effective for improving mechanical performance. This work explores the effects of various design curves such as fixed-angle curve, linear curve, arc curve, sine curve, Bezier curve, and cubic polynomial curve trajectories on mechanical performance of laminates, including vibration modal performance and buckling performance. Genetic algorithm and improved NSGA-II algorithm are then used to optimize various curve structures. The results are confirmed utilizing thermoplastic Carbon Fiber (CF)/Polyether-Ether-Ketone (PEEK) laminates made by robotic fiber placement experiments. The relationship model between different mechanical performance and curve design variables is established. The optimization of variable-angle structure with mechanical properties as input variables is achieved. Meanwhile, a full-process angle-variable laying software platform from trajectory planning (CAD), trajectory optimization to manufacturing (CAM) is developed for facilitating the fiber placement application.     

复合材料层合板的振动模态试验研究

采用逐点激励单点测试（SISO）的方法,在自由状态和一端固支状态下对无损伤和含开孔损伤的复合材料层合板进行了模态试验和模态识别.根据测量得到的试验件的频率、阻尼和振型等模态参数,分析了层合板在不同边界条件下开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性的影响.结果表明：复合材料层合板具有优越的阻尼特性;试验获得的振动特性与相关文献中的结果一致;开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性有明显影响.     

纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的数值模拟

应用基于应变能的有限元方法研究了纤维增强复合材料的阻尼特性,此方法从单向复合材料的阻尼性能参数出发,通过有限元模态分析得到复合材料结构的模态损耗因子,与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性。该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。本文将该方法应用于一种复合材料等间距正交网格加筋板的阻尼特性分析,考察了加筋对复合材料层合板阻尼特性的影响。     

小推力深空探测轨道全局优化设计

 针对小推力深空探测四维轨道优化设计,给出了一种组合优化算法,采用该算法基于二体模型进行了深空探测四维轨道全局优化。该组合优化算法由动态规划算法、静态参数优化算法与共轭梯度算法组成。动态规划算法和静态参数优化算法用以选择最优的发射窗口、返回窗口及相应的近似飞行轨道;基于该近似轨道方案,采用共轭梯度算法（解决两点边值问题）求解精确的最优轨道。通过大量的数值仿真计算,得到了航天器的全局最优飞行轨道,及相应的最优发射窗口与返回窗口。数值仿真结果表明,该组合优化算法对深空探测轨道优化具有良好的通用性和工程运用价值。     

Aeroelastic optimization of an aerobatic aircraft wing structure

This paper aims at presenting an investigation into a minimum weight optimal design and aeroelastic tailoring of an aerobatic aircraft wing structure. Firstly, analytical and FE models were created for the original metallic wing and an improved composite wing box structures. In order to validate the numerical models, predicted vibration parameters of the metallic wing box were compared with the experimental results. Comparison was also made for the predicted stress results between the metallic and the composite wing box structures of different dimensions and laminate layups. Secondly, based on a minimum weight composite wing box model of adequate strength the investigation was focused on the aeroelastic tailoring of the wing box by employing the gradient-based deterministic optimization method. The study demonstrates that in addition to a significant weight saving, up to 30% increase of flutter speed for the composite wing box can be achieved by optimizing the fibre orientations of the wing skin and spar web laminates. The optimized laminates are trimmed and reinforced to meet the manufacture and strength requirements with little compromise of flutter speed and a minor weight penalty.     

国外纤维增强树脂基复合材料阻尼研究综述

综述了国外纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的研究现状 ,分为阻尼机理 ,阻尼建模以及改善阻尼的途径三个方面的内容 ,提出了我国今后复合材料阻尼研究的重点     

自动铺丝技术及其在A350制造过程中的应用

介绍了自动铺丝技术的原理、特点、优势,并从铺丝设备、铺丝材料、铺丝工艺、应用等几个方面进行了阐述。以空客A350复合材料制造技术为背景,分析了其机体结构的制造特点以及自动铺丝技术的应用。提出了复合材料结构自动铺丝技术工程化应用关键问题。可为国内自动铺丝技术在大型客机复合材料结构成型中的应用提供参考。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件，由于结构刚度低，在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象，对其精加工质量造成严重影响。为此，基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先，介绍了阻尼器的结构，并建立了其阻尼特性的理论模型。然后，基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响，并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此，建立了装配界面抑制系统的动力学模型，并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后，通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度，阻尼比最大能提高2.17倍，等效刚度最大能提高1.65倍，能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性，装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好，能明显提高其动态可加工性，工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm，主轴转速可提升至500 r/min，这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。     

Damping of Ni-Mn-Ga epoxy resin composites

By combining the advantages of effcient damping and high mechanical properties,Ni-Mn-Ga particle composites have a very good prospect for applications in damping structure design.In this paper,a ferromagnetic shape memory alloy Ni-Mn-Ga composite is prepared.Ni-Mn-Ga particle/bisphenol-A epoxy composite cantilever beam vibration tests under a magnetic feld and without the magnetic feld are conducted to analyze the structural damping ratios n.Meanwhile,the damping characteristics of the Ni-Mn-Ga composite are studied through the axial loading-unloading method and the acoustic emission signals method.The damping coeffcient of the composite for different Ni-Mn-Ga volume fractions is obtained.The interface properties of the composite are discussed by micro examination and axial loading.The relationships between the damping of the composite and that of the component materials are discussed.The specifc damping capacity（SDC）and acoustic emission counts diagram of different specimens with different Ni-Mn-Ga volume fractions are analyzed.     

基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法

提出了基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法。基于非线性压缩变换构造了理论分析信号,并推导获得了复合结构系统非线性阻尼的表达式,明确了从时域测试角度获取非线性阻尼参数的理论原理。编写了Matlab算法,并用数值算例证明了该算法的正确性。总结并概括出一套合理、规范的测试流程,并对TC500碳纤维/树脂基复合薄板进行了实际测试。实践证明,利用所提出的方法可以有效获得复合薄板在不同衰减时刻对应的阻尼参数,该方法可以用来定量评价不同振动幅值及频率下复合结构的非线性阻尼特性。      

非线性硬涂层整体叶盘振动参数的多目标优化设计

为了优化应变依赖性硬涂层对整体叶盘的阻尼减振,对具有应变依赖性特征的硬涂层整体叶盘(非线性涂层整体叶盘)的涂层参数进行多目标优化设计.利用基于复合Mindlin板理论的能量有限元法和基于Newton-Raphson法的迭代计算技术分析了非线性涂层整体叶盘的振动特性;利用NSGA-Ⅲ算法求解了非线性涂层整体叶盘的涂层参数...     

圆筒状构件的多层铺丝路径生成算法

提出一种将空间曲线投影在芯模曲面上生成铺丝路径的方法以用于成型圆筒状复合材料构件.首先,在芯模外侧创建与铺丝路径相对应的特定曲线,然后将曲线按特定方向投影在指定的偏置曲面上,形成初始路径.为了使路径轨迹覆盖整个曲面,给出路径在曲面上的等距偏移方法.另外,对路径偏移中出现的缝隙给出了填补方法,并使偏移后的路径轨迹延伸至曲...     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题，基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子，基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程，求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性，构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型，预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明，提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近，因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成 从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料 工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。     

基于半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能

提出了半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能。首先，建立了基础激励下纤维增强复合梁结构的应变能分析模型。然后，明确了采用半理论法预测纤维增强悬臂梁应变能的相关原理，并给出预测纤维增强悬臂梁应变能的具体流程。最后，测试获得该类型梁结构在某基础激励幅度下的振动位移响应，验证所建立的应变能分析模型的正确性，可以采用半理论法来分析预测复合梁的应变能，同时还与相同尺寸的铝合金梁的预测结果进行了对比。结果证明:在相同激励幅度下，纤维增强悬臂梁的应变能相对于铝合金梁结构要低于24%~36%，可以利用应变能指标来客观评价复合结构件相对于金属构件的减振能力。      

Optimal positioning of piezoelectric actuators on a smart fin using bio-inspired algorithms

In this paper a novel approach is developed for optimization of piezoelectric actuators in vibration suppression. A scaled model of a vertical tail of F/A-18 is developed in which piezoelectric actuators are bounded to the surface. The frequency response function (FRF) of the system is then recorded and maximization of the FRF peaks is considered as the objective function of the optimization algorithm to enhance the actuator authority on the mode, which assigns the optimal placement of the pair of piezoelectric actuators on the smart fin. Six multi-layer perceptron neural networks are employed to perform surface fitting to the discrete data generated by the finite element method (FEM). Invasive weed optimization (IWO), a novel numerical stochastic optimization algorithm, is then employed to maximize the FRF peak which in due reduces the vibration of the smart fin. Results indicated an accurate surface fitting for the FRF peak data as well as the optimal placement of the piezoelectric actuators for vibration suppression.     

一种飞机操纵面驼峰型颤振随高度变化特性研究

飞机操纵面旋转和安定面弯曲模态频率较近时易耦合形成一种速度阻尼特性随高度显著变化的驼峰型颤振。某飞机垂尾颤振分析表明超过一定高度后驼峰型颤振分支阻尼峰值会超过结构阻尼系数,成为临界颤振型,并且随飞行高度增加阻尼峰值迅速增加。针对上述情况采用了三种方案抑制驼峰型颤振,算例表明降低30%安定面弯曲刚度,增加25%结构质量,操纵面旋转频率增加60%以上均能有效抑制高空驼峰型颤振。