寬帶動(dòng)力吸振器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、寬帶動(dòng)力吸振器優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：某炮艙在特定工況下壁板振動(dòng)比較劇烈，需 要采取有效措施抑制壁板振動(dòng)。文章根據(jù)炮艙前兩階固有頻 率設(shè)計(jì)寬帶動(dòng)力吸振器，綜合利用matlab和nastran編制 優(yōu)化程序，提出了一種設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器的新方法。計(jì)算炮艙 安裝吸振器前后的振動(dòng)特性和頻率響應(yīng)特性。結(jié)果顯示，綜 合優(yōu)化后吸振器能夠有效降低炮艙壁板的振動(dòng)，說(shuō)明這種優(yōu) 化方法是可行的。關(guān)鍵詞：動(dòng)力吸振器；參數(shù)優(yōu)化；動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)引言振動(dòng)工程實(shí)際中經(jīng)常采用動(dòng)力吸振的方法來(lái)抑制結(jié)構(gòu) 振動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，某結(jié)構(gòu)受到簡(jiǎn)諧激勵(lì)的頻率接 近其的固有頻率時(shí)便會(huì)發(fā)生共振。若此時(shí)在這個(gè)結(jié)構(gòu)上附加 動(dòng)力吸振器，合理優(yōu)化動(dòng)力吸振器的結(jié)構(gòu)

2、參數(shù)，便可以吸收 主結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到動(dòng)力吸振的效果。目前，動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的商業(yè)軟件有isight和hyperworks 等。這些軟件功能強(qiáng)大，對(duì)尺寸優(yōu)化和材料優(yōu)化等通用性的 優(yōu)化可以很好的完成。但是，動(dòng)力吸振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有其自 身的特殊性，這些軟件并不能完全適應(yīng)這種情況。以梁式動(dòng)力吸振器為例，通用商業(yè)軟件只能優(yōu)化材料的 密度、厚度或者針對(duì)幾何體的邊緣進(jìn)行小范圍的形貌優(yōu)化； 本文綜合運(yùn)用matlab計(jì)算軟件和nastran有限元軟件，設(shè) 計(jì)了一種優(yōu)化程序。將優(yōu)化變量設(shè)置為質(zhì)量塊的質(zhì)量、梁的 長(zhǎng)度和厚度。同時(shí)，本文給出了這種優(yōu)化方法的基本原理和 可行性。1優(yōu)化的基本思想利用matlab可以調(diào)用外部程序

3、的特點(diǎn)和其數(shù)據(jù)處理能 力，對(duì)具有不同幾何參數(shù)和物理參數(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。具體 步驟如下：（1）在patran中建立艙體和吸振器的初始模型，提交 nastran分析，得到初始的bdf文件；（2）使用matlab修改 初始bdf文件，從而改變相應(yīng)的幾何參數(shù)和物理參數(shù)；（3） 用nastran調(diào)用bdf文件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析得到結(jié)果文件；（4） 使用matlab編制程序提取出相關(guān)數(shù)據(jù)作為目標(biāo)函數(shù)和約束。 以上四個(gè)步驟依次迭代，直到滿足優(yōu)化條件為止。2優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)2. 1確定優(yōu)化變量確定優(yōu)化變量為吸振器的厚度tl、t2和吸振器上附加 質(zhì)量ml、m2o如圖1, beamol的厚度為tl, beam02的厚度

4、 為t2, massol的質(zhì)量為ml, mass02的質(zhì)量為m2。圖1動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)圖2.2生成bdf文件利用matlab編寫程序讀取bdf文件中的厚度和質(zhì)量信 息，將優(yōu)化變量替換為相應(yīng)的值。將吸振器中的懸臂梁網(wǎng)格 根據(jù)厚度不同分為pshell. 1組和pshell. 2組，將質(zhì)量點(diǎn)分 為mass1和mass2組。其中，bdf文件里面pshell. 1的屬性 卡片如下表，可以通過(guò)查找語(yǔ)句中的'pshell. 1'對(duì)其下一 行字符中的厚度進(jìn)行改寫。mass1的屬性定義卡片如下表，可以通過(guò)查找語(yǔ) 句'conm2'對(duì)下一行字符中的質(zhì)量信息進(jìn)行改寫。2. 3提取f06文

5、件f06文件里需要讀取的結(jié)果數(shù)據(jù)有質(zhì)量、位移和頻率。 為了在f06文件里面輸出有限元模型的質(zhì)量信息，需要在其 計(jì)算的bdf文件的執(zhí)行控制段中添加'param grdpnt o'。 在f06文件中生成的質(zhì)量信息如下：這里只提取mass下相應(yīng)的質(zhì)量信息即可。位移信息的 f06文件如下：從中提取出相應(yīng)的位移信息。頻率的f06文件如下，從 中提取出相應(yīng)的頻率信息即可。2. 4確定目標(biāo)函數(shù)和罰函數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)f (x)為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，優(yōu)化過(guò)程中令結(jié) 構(gòu)的質(zhì)量最小。約束條件通過(guò)罰函數(shù)給出，罰函數(shù)的具體形 式為：g (x) = (min (0, hl (x), h2 (x), h (x) 2

6、o 其 中hl (x)為位移約束，用于確定位移的下限，由于位移響 應(yīng)的絕對(duì)值很小，所以在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中hl (x)取值為位 移值x106； h2 (x)和h3 (x)為頻率約束，用于確定艙體 一階頻率的上下限。罰系數(shù)??？姿=10；由此，可以將有約 束的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束的優(yōu)化問(wèn)題。新的增廣目標(biāo)函數(shù) fz (x) =f (x) +?姿g (x)o當(dāng)？姿取合適的值時(shí)，增廣函 數(shù)fz (x)的最優(yōu)解即為在約束條件下f(x)的最優(yōu)解。2.5選擇優(yōu)化算法本文的優(yōu)化算法采用模式搜索法，又叫hooke-jeeves 算法，主要由兩種移動(dòng)過(guò)程組成：探測(cè)移動(dòng)和模式移動(dòng)。探 測(cè)移動(dòng)是沿坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)，模式移動(dòng)

7、時(shí)沿相鄰兩個(gè)探測(cè) 點(diǎn)連線方向上的移動(dòng)。兩種移動(dòng)交替進(jìn)行，順著函數(shù)值下降 的最佳方向?qū)ふ易顑?yōu)解。3算例以某炮艙-吸振器耦合模型為例，驗(yàn)證優(yōu)化程序的可行 性。已知某炮艙左端受正弦激勵(lì)作用，激勵(lì)幅值為200no 炮艙下方兩端簡(jiǎn)支約束。長(zhǎng)1.2m、寬0.4m、最大高度0. 5m、 壁厚2mm ,艙體內(nèi)壁沿髙度方向有5根 0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長(zhǎng)0. 5m；沿長(zhǎng)度方向有 10根0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長(zhǎng)1.2m,沿寬度度 方向有10根0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長(zhǎng)0. 5m。要 求在激勵(lì)作用下，炮艙上響應(yīng)最大點(diǎn)的位移小于2

8、.4mm,同 時(shí)炮艙一階模態(tài)頻率要保持在66. 2hz到66. 8hz之間。為此, 設(shè)計(jì)優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件分別如下：目標(biāo)函數(shù)為：艙體與吸振器總重量最輕通過(guò)matlab運(yùn)行優(yōu)化程序后得到的結(jié)果總結(jié)文件和優(yōu) 化過(guò)程記錄如圖3。從記錄優(yōu)化迭代情況的txt文檔里可以看出，當(dāng)目標(biāo)函 數(shù)達(dá)到最優(yōu)解時(shí),ml二0.5, m2=0. 001, tl=0. 03, 12=0. 001；使用優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)計(jì)吸振器，并將其安裝在炮艙上進(jìn) 行頻率響應(yīng)分析。分別計(jì)算安裝吸振器前后炮艙壁板最大響 應(yīng)點(diǎn)在給定工況下的位移響應(yīng)，得到計(jì)算結(jié)果如圖4、5所 示。可以看出，優(yōu)化后吸振器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖4未加吸振器時(shí)炮艙最大位移的頻響曲線圖5加吸振器后炮艙最大位移的頻響曲線4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)上述實(shí)例可以看出，本文所設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法能夠?qū)?現(xiàn)動(dòng)力吸振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這證明這種方法是可行的。總之, 本文的優(yōu)化程序可以實(shí)現(xiàn)matlab對(duì)nastran的調(diào)用，對(duì)于 許多動(dòng)力學(xué)優(yōu)化問(wèn)題有實(shí)際的使用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 龔純，王正林.精通matlab最優(yōu)化計(jì)算m.北京： 電子