考虑材料设计变量的圆形阻尼层合结构的优化设计实验研究

    阻尼结构是工程中常用的结构，如何减少该类结构中阻尼材料的用量，提高阻尼材料的利用率是工程中急需解决的问题。为此，国内外相关研究机构和学者进行了不断深入地研究[1―5]。杨德庆按阻尼层合结构基层的拓扑优化结果进行阻尼材料配置，建立了基于阻尼拓扑灵敏度综合评价的阻尼材料优化配置准则，实现了频率和动响应约束下自由阻尼层阻尼薄板的拓扑优化[1―2]。郭中泽采用渐近结构拓扑优化方法，以最大化约束阻尼板的模态损耗因子为目标，研究了阻尼材料的最优分布和约束阻尼板的拓扑优化设计[3]。郑玲也以最大化模态阻尼比为目标，研究、得到了阻尼结构中阻尼材料的最优配置[4]。韦勇、陈国平研究了阻尼器在结构上的位置分布问题，提出了模态阻尼优化设计方法[5]。这些阻尼层合结构优化研究及对优化结果的验证，都还停留在理论上和结构层面优化，还缺乏从材料和结构两个尺度层面的具有针对性实验研究。国外学者开展了一些材料/结构两尺度实验研究，但他们的着眼点主要是材料和结构的尺度效应。Onck PR[6]和 Tantikom K[7]分别以六边形蜂窝表征体胞和周期铜管材料表征体胞为实验对象，开展了宏观、微观两尺度材料性能研究。Burgueno R[8]以周期多孔材料表征体胞为对象，开展了宏观、微观两尺度结构性能研究。国内，张卫红[9]在结构层面讨论了随机振动响应下单组件布局优化设计及实验验证。目前，关于材料/结构两尺度优化设计的实验研究还未见相关文献报道。而显然，针对理论优化结果的实验研究，既可以为人们提供对理论优化效果的直观感性认识，也可以为理论优化结果用于实际工程提供必要的实验依据。因此，开展材料/结构两尺度优化设计的实验研究是非常必要的。

    本文以实际工程中的一种圆形阻尼层合结构为对象，针对其中阻尼层的 3 种不同构型形式和 5种不同密度，以结构阻尼比为目标，开展了考虑材料设计变量的优化设计实验研究。研究阻尼层材料密度和阻尼层构型对层合结构阻尼特性的影响。对实验数据的分析表明：适当的阻尼材料密度选择和结构优化设计，可以有效地提高圆形阻尼层合结构的阻尼特性；阻尼层材料密度对结构阻尼比的影响是非单调的，存在一个使结构阻尼比最大的临界密度值。同时，研究还表明：满足工程需求的局部优化解存在多个。

    1 圆形阻尼层合结构的振动实验

    实验件如图 1 所示，为一圆形阻尼层合结构。其中阻尼层有 3 种不同的构型，分别为满铺(优化前)、拓扑优化Ⅰ构型和拓扑优化Ⅱ构型，如图 2所示。这里拓扑优化构型Ⅰ和构型Ⅱ分别采用不同的设计域由渐进结构优化法[10]和变密度法获得[11]。阻尼层材料为橡胶，同一构型阻尼层的材料密度有5 种，分别为： 1.15×103kg/m3( 未发泡 ) 、 1.02×103kg/m3、0.9×1033、0.76×103kg/m和 0.62×103kg/m3。实验件与振动台通过 8 个螺栓连接，实验装置见图 3。