寬帶動力吸振器優(yōu)化設計

1、寬帶動力吸振器優(yōu)化設計摘要：某炮艙在特定工況下壁板振動比較劇烈，需 要采取有效措施抑制壁板振動。文章根據(jù)炮艙前兩階固有頻 率設計寬帶動力吸振器，綜合利用matlab和nastran編制 優(yōu)化程序，提出了一種設計動力吸振器的新方法。計算炮艙 安裝吸振器前后的振動特性和頻率響應特性。結果顯示，綜 合優(yōu)化后吸振器能夠有效降低炮艙壁板的振動，說明這種優(yōu) 化方法是可行的。關鍵詞：動力吸振器；參數(shù)優(yōu)化；動力學設計引言振動工程實際中經(jīng)常采用動力吸振的方法來抑制結構 振動。根據(jù)結構動力學原理，某結構受到簡諧激勵的頻率接 近其的固有頻率時便會發(fā)生共振。若此時在這個結構上附加 動力吸振器，合理優(yōu)化動力吸振器的結構

2、參數(shù)，便可以吸收 主結構的能量，達到動力吸振的效果。目前，動力學優(yōu)化的商業(yè)軟件有isight和hyperworks 等。這些軟件功能強大，對尺寸優(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，動力吸振器的優(yōu)化設計有其自 身的特殊性，這些軟件并不能完全適應這種情況。以梁式動力吸振器為例，通用商業(yè)軟件只能優(yōu)化材料的 密度、厚度或者針對幾何體的邊緣進行小范圍的形貌優(yōu)化； 本文綜合運用matlab計算軟件和nastran有限元軟件，設 計了一種優(yōu)化程序。將優(yōu)化變量設置為質量塊的質量、梁的 長度和厚度。同時，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可以調用外部程序

3、的特點和其數(shù)據(jù)處理能 力，對具有不同幾何參數(shù)和物理參數(shù)的結構進行分析。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，從而改變相應的幾何參數(shù)和物理參數(shù)；（3） 用nastran調用bdf文件進行動力學分析得到結果文件；（4） 使用matlab編制程序提取出相關數(shù)據(jù)作為目標函數(shù)和約束。 以上四個步驟依次迭代，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 質量ml、m2o如圖1, beamol的厚度為tl, beam02的厚度

4、 為t2, massol的質量為ml, mass02的質量為m2。圖1動力吸振器結構圖2.2生成bdf文件利用matlab編寫程序讀取bdf文件中的厚度和質量信 息，將優(yōu)化變量替換為相應的值。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，將質量點分 為mass1和mass2組。其中，bdf文件里面pshell. 1的屬性 卡片如下表，可以通過查找語句中的'pshell. 1'對其下一 行字符中的厚度進行改寫。mass1的屬性定義卡片如下表，可以通過查找語 句'conm2'對下一行字符中的質量信息進行改寫。2. 3提取f06文

5、件f06文件里需要讀取的結果數(shù)據(jù)有質量、位移和頻率。 為了在f06文件里面輸出有限元模型的質量信息，需要在其 計算的bdf文件的執(zhí)行控制段中添加'param grdpnt o'。 在f06文件中生成的質量信息如下：這里只提取mass下相應的質量信息即可。位移信息的 f06文件如下：從中提取出相應的位移信息。頻率的f06文件如下，從 中提取出相應的頻率信息即可。2. 4確定目標函數(shù)和罰函數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)f (x)為結構的質量，優(yōu)化過程中令結 構的質量最小。約束條件通過罰函數(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 應的絕對值很小，所以在實際優(yōu)化過程中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)?。孔?10；由此，可以將有約 束的優(yōu)化問題轉化為無約束的優(yōu)化問題。新的增廣目標函數(shù) fz (x) =f (x) +?姿g (x)o當？姿取合適的值時，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，主要由兩種移動過程組成：探測移動和模式移動。探 測移動是沿坐標軸方向的移動，模式移動

7、時沿相鄰兩個探測 點連線方向上的移動。兩種移動交替進行，順著函數(shù)值下降 的最佳方向尋找最優(yōu)解。3算例以某炮艙-吸振器耦合模型為例，驗證優(yōu)化程序的可行 性。已知某炮艙左端受正弦激勵作用，激勵幅值為200no 炮艙下方兩端簡支約束。長1.2m、寬0.4m、最大高度0. 5m、 壁厚2mm ,艙體內壁沿髙度方向有5根 0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長0. 5m；沿長度方向有 10根0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長1.2m,沿寬度度 方向有10根0. 02mx0. 02mx0. 002m的l型梁，長0. 5m。要 求在激勵作用下，炮艙上響應最大點的位移小于2

8、.4mm,同 時炮艙一階模態(tài)頻率要保持在66. 2hz到66. 8hz之間。為此, 設計優(yōu)化變量、目標函數(shù)和約束條件分別如下：目標函數(shù)為：艙體與吸振器總重量最輕通過matlab運行優(yōu)化程序后得到的結果總結文件和優(yōu) 化過程記錄如圖3。從記錄優(yōu)化迭代情況的txt文檔里可以看出，當目標函 數(shù)達到最優(yōu)解時,ml二0.5, m2=0. 001, tl=0. 03, 12=0. 001；使用優(yōu)化后的參數(shù)設計吸振器，并將其安裝在炮艙上進 行頻率響應分析。分別計算安裝吸振器前后炮艙壁板最大響 應點在給定工況下的位移響應，得到計算結果如圖4、5所 示。可以看出，優(yōu)化后吸振器達到了設計要求。圖4未加吸振器時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結束語通過上述實例可以看出，本文所設計的優(yōu)化方法能夠實 現(xiàn)動力吸振器的優(yōu)化設計，這證明這種方法是可行的?？傊? 本文的優(yōu)化程序可以實現(xiàn)matlab對nastran的調用，對于 許多動力學優(yōu)化問題有實際的使用價值。參考文獻1 龔純，王正林.精通matlab最優(yōu)化計算m.北京： 電子