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以工程中普遍存在的结构-声场耦合系统为研究对象,充分考虑系统本身及外载荷的不确定性,基于区间理论建立了含有非概率不确定参数的区间有限元分析方法及区间鲁棒优化模型。首先,利用区间对不确定性参数进行定量化描述,借助泰勒展式提出了求解耦合系统响应范围的区间有限元分析方法。然后,引入鲁棒优化设计的思想,基于区间序关系和区间可能度,分别建立了含区间参数目标函数和约束条件的转换模型,原区间不确定性优化问题就转化为确定性的多目标优化问题。最后通过数值算例,进一步说明了该鲁棒优化设计模型及算法的有效性。
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振 动 与 冲 击
第 32卷第 17期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.32No.172013
基金项目:高等学校学科创新引智计划资助项目(B07009);国家自然科
学基金资助项目(90816024、10872017、10876100);国防基础科研计
划资助项目(A2120110001、B2120110011)
收稿日期:2012-07-05 修改稿收到日期:2012-09-29
第一作者 王 冲 男,博士,1987年生
结构 -声场耦合系统区间鲁棒优化设计
王 冲
1
,邱志平
1
,吴 迪
2
,王晓军
1
(1.北京航空航天大学 固体力学研究所,北京 100191;2.中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京 100076)
摘 要:
以工程中普遍存在的结构 -声场耦合系统为研究对象,充分考虑系统本身及外载荷的不确定性,基于区
间理论建立了含有非概率不确定参数的区间有限元分析方法及区间鲁棒优化模型。首先,利用区间对不确定性参数进行
定量化描述,借助泰勒展式提出了求解耦合系统响应范围的区间有限元分析方法。然后,引入鲁棒优化设计的思想,基于
区间序关系和区间可能度,分别建立了含区间参数目标函数和约束条件的转换模型,原区间不确定性优化问题就转化为
确定性的多目标优化问题。最后通过数值算例,进一步说明了该鲁棒优化设计模型及算法的有效性。
关键词:结构声场耦合系统;不确定优化;区间鲁棒;区间有限元
中图分类号:O328;O422.6 文献标识码:A
Intervalrobustoptimizationofacoupledstructuralacousticsystem
WANGChong
1
,QIUZhiping
1
,WUDi
2
,WANGXiaojun
1
(1.InstituteofSolidMechanics,BeijingUniversity,Beijing100191,China;
2.R&DCenter,ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China)
Abstract: Basedontheintervaltheory,anintervalfiniteelementmethodforacoupledstructuralacousticsystem
withnonprobabilisticuncertainparameterswasproposed,andanintervalrobustoptimizationmodelwasestablished
consideringtheuncertaintybothinthesystemandexternalloads.Firstly,intervalswereusedtoquantitativelydescribeall
theuncertainparametersandintermsofTaylorexpansions,theresponserangeofthecoupledsystem couldbeobtained
withtheintervalfiniteelementmethod.Subsequently,theorderingrelationandpossibledegreeformulaofintervalswere
introducedtoestablishtheconvertedmodelsoftheobjectivefunctionandconstraints,respectively.Thus,theoriginal
optimizationproblemwithuncertaintywastransformedintoadeterministicmultiobjectiveoptimizationproblem.Finally,a
numericalexamplewasgiventodemonstratetheeffectivenessoftheproposedmodelandalgorithm.
Keywords:coupledstructuralacousticsystem;uncertainoptimization;intervalrobust;intervalfiniteelement
随着现代工业化程度的不断提高,噪声污染日益
加剧,严重影响人们的身心健康,因此,减少结构振动
声辐射是一个非常重要的研究课题。结构振动声辐射
的数值分析方法可以分为两大类:离散方法和能量方
法。目前,采用离散方法进行声辐射计算时,对结构一
般都采用有限元法进行离散处理,对流体的处理可采
用有限元法
[1]
、边界元法
[2]
和无限元法
[3]
等。能量方
法主要是指统计能量分析方法和能量有限元法
[4]
,主
要适用于复杂耦合结构高频域的声振环境预测计算。
对结构声学优化的研究,目前主要局限于壳类结构。
文献[5]基于矩形结构 -声场耦合有限元模型,对加强
筋进行了拓扑优化设计,降低了设计域点的声压级。
Marburg
[6]
对基于边界元法的结构声学优化的目标函
数、设计参数及声学敏度进行了详细的描述,提出了一
种称为“半分析敏度”的声敏度计算公式。
在实际工程当中,普遍存在着与材料性质,几何特
性,外力,初始条件,边界条件有关的误差或不确定性。
结构振动声辐射领域也一样,无论是结构 -声场耦合
系统自身参数还是外部激励,都可能存在不确定因素。
自上世纪 70年代,开始有学者对不确定结构振动声辐
射问题开始关注,并取得了一些研究成果。Bhat等
[7]
研究了机身结构在湍流边界层作用下的声辐射内场问
题,并提出了相应的降噪措施。随后
Allen等
[8]
研究了
不同结构在湍流边界层作用下的随机振动声辐射问
题;
Chen等
[9]
基于有限 -有限元方法和虚拟激励原理
对随机载荷作用下的结构振动声辐射的灵敏度问题进
行了研究;张维英等
[10]
应用有限 -边界元方法对结构
随机振动声辐射进行了数值仿真计算。
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weixin_38706603
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