仿生加筋板結構優(yōu)化與隔聲性能研究.pdf

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

2、動載頻率響應，全面分析仿生脈序加筋薄板的力學性能。同時，為進一步分析薄板加筋結構的減振降噪性能，對仿生加筋板這種形狀不規(guī)則的復雜結構進行了隔聲性能研究。使得植物仿生方法不僅為工程力學應用提供靈感，也為工程聲學應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)化薄板結構加筋布局的仿脈序生長設計方法的主要內容。在總結和提煉雙子葉植物脈序形態(tài)形成機理的基礎上，建立了基于仿生脈序生長算法的優(yōu)化模型，得出了薄板加強筋布局的仿脈

3、序生長設計流程。加強筋從給定的“種子”位置出發(fā)，沿著使結構應變能最小的方向分枝和生長，同時退化對結構性能貢獻小的加強筋，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和退化的準則，確定了仿生脈序生長算法的主要參數(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分布，驗證了仿生脈序方法在生物原型研究方面的有效性。
　　對仿生脈序加筋薄板的力學性能進行了對比分析。利

4、用仿生脈序生長法對三種典型工況下（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）的薄板結構進行了加筋布局設計。對比仿生優(yōu)化板與傳統(tǒng)正交板、無筋基板的相應力學性能，結果表明本文所得的仿生脈序加筋布局薄板具有更為優(yōu)秀的靜力學和動力學性能。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%；動載荷作用時最大共振幅值

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算模型，同樣對比三種典型工況下仿生優(yōu)化板、傳統(tǒng)正交布局板和無筋基板的隔聲性能，結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，且隔聲低谷變淺；質量控制區(qū)隔聲量提高了1.1