一种CFRP-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法与流程

本发明涉及复合结构性能优化，具体涉及一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法。

背景技术：

1、随着机械工业的发展，传统的金属材料制备的机床零件已经不能满足日益增长的机械结构轻量化、高阻尼性和高刚度的需求。为解决这一问题，cfrp材料应运而生，它具备高刚度、低密度以及独特的阻尼效果，被广泛用作机械零件加工中金属产品的替代材料。

2、然而，随着对材料阻尼性能要求的逐渐提高，仅依靠cfrp材料自身的阻尼特性已经不能满足高速机械加工对结构阻尼的迫切需求。因此，在cfrp材料中再插入粘弹性材料以提高阻尼性能是一种可行的性能优化方法。

3、然而，现有的性能优化方法仅仅考虑了提高阻尼性能的要求，而忽略了随着粘弹性材料增加所带来的结构刚度下降的问题，这将导致结构刚度不足，影响结构的实际应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，采用该方法制备的cfrp-粘弹性夹层复合结构可以达到刚度与阻尼性能兼顾的效果。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：包括以下步骤：

3、一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，包括以下步骤：

4、s1、建立夹层复合结构的三维模型，所述夹层复合结构包括cfrp层和粘弹性层；

5、s2、建立所述三维模型的初始函数表达式，所述初始函数表达式用于定义所述三维模型的形状和拓扑；

6、s3、对所述三维模型进行网格划分处理；

7、s4、对网格划分处理后的所述三维模型进行网格节点信息的提取，建立全局质量矩阵和全局刚度矩阵；

8、s5、对所述全局质量矩阵和所述全局刚度矩阵分别进行动力学分析和静力学分析，得到阻尼比约束和刚度约束；

9、s6、建立移动渐近线算法模型；

10、s7、以所述阻尼比约束和所述刚度约束为约束条件对所述移动渐近线算法模型进行优化分析；

11、s8、检查所述移动渐近线算法模型的收敛性，若不满足收敛条件，则回到步骤s4；若满足收敛条件则结束，输出目标函数和最优拓扑构型。

12、进一步地，所述三维模型的设计域包括两个子域，两个所述子域分别代表cfrp材料和粘弹性材料；

13、所述初始函数表达式定义为：

14、其中，k为初始函数表达式的步长，εi为第i个节点的形状函数，为第i个节点在第k步的膨胀系数。

15、进一步地，在步骤s3中，网格划分采用六面体单元的完全积分单元。

16、进一步地，所述移动渐近线算法模型具体表述为：

17、

18、max

19、

20、以下为阻尼比约束条件：

21、(kr+iki)φ＝λ2m

22、

23、kru＝f

24、λ1≥λmin

25、uj≤umax

26、其中，φ为初始函数表达式，m为全局质量矩阵，kr全局刚度矩阵的实部，ki为整体刚度矩阵的虚部，γr为第r阶的谐振频率处的损耗因子，φr第r个谐振模式的特征向量，λr为第r个谐振频率，δjl克罗内克增量，u为节点位移，f为所加静荷载，h为向量转置；

27、以下为刚度约束条件：

28、在100n的荷载下，加载点的变形应小于1mm。

29、进一步地，在步骤s6中，还包括谐振频率约束条件，以下为谐振频率约束条件：第一个谐振频率应大于80hz；

30、谐振频率通过求解下列等式描述的特征值问题获得：

31、【(kr+iki)-λ12m】φ1＝0

32、将a＝m-1(kr+iki)代入上式可得如下公式：

33、λ12φ1＝aφ1

34、等式两侧微分可得：

35、λ12′φ1+λ12φ1′＝a′φ1+aφ1′

36、左乘特征向量可得如下公式：

37、y1tλ12′φ1+y1tλ12′φ1′＝y1ta′φ1+y1taφ1′

38、其中，yt满足y1ta＝y1tλ2且y1tφ1＝1

39、故特征值导数如下：

40、

41、进一步地，所述夹层复合结构包括两个cfrp层和一个粘弹性层，所述粘弹性层位于两个所述cfrp层之间，所述cfrp层的材料为m40j高强度高模量碳纤维，所述粘弹性层的材料为软木橡胶。

42、进一步地，所述夹层复合结构的长度为300mm，厚度为20mm。

43、有益效果：本发明提供的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，基于传统的mma拓扑优化算法，通过对核心算法进行计算，以更高的约束条件实现更高的性能优化。利用移动渐近线优化算法对cfrp-粘弹性夹层复合结构进行性能优化分析，优化分析可以根据不同的机械领域需求进行多次迭代次数，得到不同的结构分布，具备很强的可设计性。采用该方法制备的cfrp-粘弹性夹层复合结构可以达到刚度与阻尼性能兼顾的效果。

技术特征：

1.一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：所述三维模型的设计域包括两个子域，两个所述子域分别代表cfrp材料和粘弹性材料；

3.根据权利要求1所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：在步骤s3中，网格划分采用六面体单元的完全积分单元。

4.根据权利要求1所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：所述移动渐近线算法模型具体表述为：

5.根据权利要求4所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：在步骤s6中，还包括谐振频率约束条件，以下为谐振频率约束条件：第一个谐振频率应大于80hz；

6.根据权利要求1所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：所述夹层复合结构包括两个cfrp层和一个粘弹性层，所述粘弹性层位于两个所述cfrp层之间，所述cfrp层的材料为m40j高强度高模量碳纤维，所述粘弹性层的材料为软木橡胶。

7.根据权利要求1所述的一种cfrp-粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，其特征在于：所述夹层复合结构的长度为300mm，厚度为20mm。

技术总结本发明涉及复合结构性能优化技术领域，提供了一种CFRP‑粘弹性夹层复合结构的性能优化方法，包括以下步骤：S1、建立夹层复合结构的三维模型；S2、建立三维模型的初始函数表达式，初始函数表达式用于定义三维模型的形状和拓扑；S3、对三维模型进行网格划分处理；S4、进行网格节点信息的提取，建立全局质量矩阵和全局刚度矩阵；S5、进行动力学分析和静力学分析，得到阻尼比约束和刚度约束；S6、建立移动渐近线算法模型；S7、以阻尼比约束和刚度约束为约束条件对移动渐近线算法模型进行优化分析；S8、检查移动渐近线算法模型的收敛性，若不满足收敛条件，则回到步骤S4；若满足收敛条件则结束，输出目标函数和最优拓扑构型。技术研发人员：刘钢,吴楠,张立强,李军利,黄栋受保护的技术使用者：成都智远先进制造技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29