薄板加筋布局的仿脈序生長(zhǎng)設(shè)計(jì)法研究.pdf

1、隨著仿生學(xué)的發(fā)展，仿生設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用于薄板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋布局設(shè)計(jì)。利用生物系統(tǒng)的形態(tài)或功能機(jī)理來(lái)指導(dǎo)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，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(jì)對(duì)象，只能解決特定的工程問(wèn)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(jì)方法，對(duì)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(jì)，并進(jìn)行了不同加筋布局的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
　　首先，通過(guò)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(jì)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(zhǎng)設(shè)計(jì)法，對(duì)其概念定義、生長(zhǎng)/退化準(zhǔn)則和具體實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了闡述。設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用單元靈敏度數(shù)判斷加強(qiáng)筋的生長(zhǎng)和退化。推導(dǎo)了實(shí)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(guò)濾策略。利用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了基于Abaqus/CAE的插件程序。
　　其次，利用仿脈序生長(zhǎng)設(shè)計(jì)法進(jìn)行了加筋

3、布局的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用伴隨方法推導(dǎo)了單元?jiǎng)偠褥`敏度數(shù)，并探討了剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)中各項(xiàng)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(duì)典型薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加筋布局設(shè)計(jì)。
　　再次，將仿脈序生長(zhǎng)設(shè)計(jì)法拓展到了結(jié)構(gòu)的頻率優(yōu)化問(wèn)題?；跓o(wú)阻尼自由振動(dòng)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(wèn)題為例，探討了頻率優(yōu)化中的各項(xiàng)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(duì)典型算例進(jìn)行了加筋

4、布局設(shè)計(jì)。
　　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(shí)驗(yàn)對(duì)比。靜力實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量薄板在靜載荷作用下的位移來(lái)衡量不同的加筋布局對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，采用錘擊法測(cè)得了不同布局加筋板的前5階固有頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能。
　　數(shù)值算例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的方法設(shè)計(jì)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(jì)問(wèn)題，獲得的加