薄板加筋布局的仿脈序生長設(shè)計法研究.pdf

1、隨著仿生學(xué)的發(fā)展，仿生設(shè)計方法被廣泛應(yīng)用于薄板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋布局設(shè)計。利用生物系統(tǒng)的形態(tài)或功能機(jī)理來指導(dǎo)加強(qiáng)筋設(shè)計，能夠獲得清晰高效的加筋布局。然而，現(xiàn)有的研究通常以具體的結(jié)構(gòu)為設(shè)計對象，只能解決特定的工程問題，應(yīng)用范圍十分有限。本文從雙子葉植物脈序形成機(jī)理中獲得啟發(fā)，提出一種具有普遍適用性的加強(qiáng)筋仿生設(shè)計方法，對典型算例進(jìn)行了加筋布局的剛度優(yōu)化和頻率優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了不同加筋布局的對比實驗。
　　首先，通過不規(guī)則加強(qiáng)筋與雙子葉植物葉

2、脈之間的相似性分析，闡明了加強(qiáng)筋布局設(shè)計的仿生機(jī)理。在總結(jié)雙子葉植物脈序形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了薄板加筋布局的仿脈序生長設(shè)計法，對其概念定義、生長/退化準(zhǔn)則和具體實現(xiàn)流程進(jìn)行了闡述。設(shè)計過程中，利用單元靈敏度數(shù)判斷加強(qiáng)筋的生長和退化。推導(dǎo)了實體單元和空單元靈敏度數(shù)的一般表達(dá)式，并提出了靈敏度過濾策略。利用Python語言對Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計了基于Abaqus/CAE的插件程序。
　　其次，利用仿脈序生長設(shè)計法進(jìn)行了加筋

3、布局的剛度優(yōu)化設(shè)計。采用伴隨方法推導(dǎo)了單元剛度靈敏度數(shù)，并探討了剛度優(yōu)化設(shè)計中各項參數(shù)的選取原則。以最大化結(jié)構(gòu)整體剛度為目標(biāo)，對典型薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加筋布局設(shè)計。
　　再次，將仿脈序生長設(shè)計法拓展到了結(jié)構(gòu)的頻率優(yōu)化問題?；跓o阻尼自由振動的有限元平衡方程，推導(dǎo)了單元頻率靈敏度數(shù)。以單邊固支方板的基頻最大化問題為例，探討了頻率優(yōu)化中的各項參數(shù)選取原則。選擇最大化低階固有頻率和最大化前兩階固有頻率之間距離為優(yōu)化目標(biāo)，對典型算例進(jìn)行了加筋

4、布局設(shè)計。
　　最后，將本文獲得的加筋布局與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的結(jié)果以及傳統(tǒng)的正交布局進(jìn)行了實驗對比。靜力實驗中，通過測量薄板在靜載荷作用下的位移來衡量不同的加筋布局對結(jié)構(gòu)剛度的影響。模態(tài)實驗中，采用錘擊法測得了不同布局加筋板的前5階固有頻率。實驗結(jié)果驗證了采用本文方法獲得的加筋布局能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)力學(xué)性能。
　　數(shù)值算例和實驗結(jié)果表明，本文所提出的方法設(shè)計效率高，適用于多種目標(biāo)函數(shù)下的任意薄板結(jié)構(gòu)加筋設(shè)計問題，獲得的加