考虑减振性能和控制能耗的压电智能结构拓扑优化方法

Piezoelectric smart vibration attenuation structure plays an important role in improving the dynamic performance of thin-shell structures. Due to the increasing demand of structural vibration control to reduce power consumption, this project is to study the basic mechanism of piezoelectric smart structures, develop topology optimization method of the structures based on active control to improve the control performance, propose reasonable formulations piezoelectric smart structure layout optimization considering the power consumption with active vibration control, deal with the integrated dynamic topology optimization for the shape fixed piezoelectric components and load-bearing structure with the proposed method. New achievements are expected in the researches of reasonable topology optimization model of piezoelectric structure under active vibration control, topology optimization of piezoelectric smart structure considering energy consumption of active control and high precision sensitivity analysis algorithms of the dynamic response of piezoelectric smart structures. These works will provide meaningful guidance to the in-depth understanding of the design of piezoelectric smart damping structure and improvement in the vibration structural design.

压电智能减振结构在改善薄壁结构动力学性能中发挥着重要作用。本项目以压电智能结构减振和降低能耗的需求为背景，深入研究基于主动控制的压电智能结构拓扑优化基础机理，发展考虑减振性能压电智能结构拓扑优化方法，研究压电智能减振结构优化中能耗约束的合理提法，并应用于形状固定压电组件—承载结构集成动力拓扑优化设计之中。针对主动振动控制下合理的压电材料拓扑优化模型、主动振动控制能耗对压电智能结构拓扑优化的正则化机理、压电智能结构动力学响应的高精度灵敏度分析算法等关键科学问题，预期在建立合理的压电智能减振结构拓扑优化列式及求解方法、提出考虑主动振动控制能耗的压电智能结构拓扑优化新模型、建立状态空间下结构动力响应的高精度灵敏度分析方法开展系统的创新性研究。项目将对深入理解压电智能减振结构设计机理，完善压电智能结构动力学优化方法，对提高减振结构设计水平具有指导意义。

本项目针对动力荷载下压电智能结构减振及降低控制能耗的需求，提出能够有效降低结构振动程度的压电智能结构拓扑优化模型，揭示压电智能结构拓扑优化问题中考虑能量消耗的合理性，并建立能够同时兼顾结构动力响应特性和能量消耗的压电智能结构拓扑优化方法；研究非比例阻尼压电智能结构优化问题中动力学响应和灵敏度分析难题并发展高效稳定的数值求解方法，并应用于动力荷载下基于多水平集描述的内嵌形状固定压电传感/作动元件—承载结构集成拓扑优化设计。通过本项目研究，获得了振动控制效率高、系统稳定性好的压电传感/作动元件布局设计。.本项目在研究期间取得以下成果：.（1）建立合理的压电智能减振结构的动力学拓扑优化方法，提出能够有效衡量结构振动能量耗散的优化目标函数，建立优化问题模型并发展相应的灵敏度分析方法。.（2）研究主动控制能耗在压电智能结构减振优化中的合理性，发展相应的优化求解技术；通过实验验证所得压电智能结构最优布局设计，在结构动力学拓扑优化领域前沿问题的研究中取得创新性成果。.(3) 项目执行期内发表多篇学术论文，参加多次国际学术会议。