薄板加筋布局的仿脈序生長設計法研究.pdf

1、隨著仿生學的發(fā)展，仿生設計方法被廣泛應用于薄板結構加強筋布局設計。利用生物系統(tǒng)的形態(tài)或功能機理來指導加強筋設計，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構為設計對象，只能解決特定的工程問題，應用范圍十分有限。本文從雙子葉植物脈序形成機理中獲得啟發(fā)，提出一種具有普遍適用性的加強筋仿生設計方法，對典型算例進行了加筋布局的剛度優(yōu)化和頻率優(yōu)化設計，并進行了不同加筋布局的對比實驗。
　　首先，通過不規(guī)則加強筋與雙子葉植物葉

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

3、布局的剛度優(yōu)化設計。采用伴隨方法推導了單元剛度靈敏度數(shù)，并探討了剛度優(yōu)化設計中各項參數(shù)的選取原則。以最大化結構整體剛度為目標，對典型薄板結構進行了加筋布局設計。
　　再次，將仿脈序生長設計法拓展到了結構的頻率優(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，對典型算例進行了加筋

4、布局設計。
　　最后，將本文獲得的加筋布局與現(xiàn)有文獻中的結果以及傳統(tǒng)的正交布局進行了實驗對比。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構剛度的影響。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構的靜、動態(tài)力學性能。
　　數(shù)值算例和實驗結果表明，本文所提出的方法設計效率高，適用于多種目標函數(shù)下的任意薄板結構加筋設計問題，獲得的加