结构的动力学设计

§概述

结构设计的一个重要内容是强度设计，而结构强度设计特别是飞机、汽车等航行器的强度设计已经从过去的结构静强度设计思想，发展到现在的结构动力学设计概念，所谓的结构动力学设计，是指按照对结构动力学特性指标的要求，对结构进行设计，以满足对振动频率、振动响应以及振动稳定性边界的要求。目前，结构动力学设计的概念正逐渐被人们所接受，各种动力学设计技术已逐渐发展起来并应用到结构设计的工程实践中。

一般所谓的结构动力学设计，实际上是结构动力学优化设计。结构动力学优化设计的研究原则上包括三方面的内容：（1）在给定频率和响应控制设计要求下，对结构的构型或布局进行设计优选；（2）在确定结构布局或构型后，对有关的结构设计参数进行设计优选；（3）在基本结构设计确定后，如有必要，还应进行附加质量、附加刚度及附加阻尼的设计优选，或附加其它类型的振动控制措施。但是，目前结构动力学设计的研究和应用水平，尚不能提供上述各方面的设计方法。大多数的研究都集中在前两方面的研究内容上，即针对给定结构的构型和布局设计，按照结构动力学分析和优化设计的方法来对有关的结构设计参数进行设计优选，或者基于已按其它方面要求确定的基本结构的设计参数，进行结构动力学优化设计和设计修改。而上述第三方面内容的研究和应用，现已经纳入到结构振动控制研究的范畴。

显然，对于确定的结构布局形式，无论是进行结构的频率控制设计或是进行在给定载荷下的响应控制设计，或者两者的联合控制设计，都属于结构动力学中的逆问题。对工程实际中复杂结构的振动逆问题，只能借助于有关的近似方法。目前最有效的方法，就是数学中得到了很好发展的最优化方法，它成为结构动力学设计的一个有效手段。在第八章中介绍的结构参数灵敏度分析、参数摄动分析以及结构动力学修改等近似方法，也构成了结构动力学设计的基础。本章主要介绍结构动力学设计中常用的一些优化方法。

【结构动力学设计的必要性】

过去对各种航行器的结构设计，都是按照静强度的思想进行设计，直到使用中出现各种振动故障问题时，才着手进行排故处理，一般对结构的振动问题没有进行事先估计，也没有采取相应的设计措施，因而在使用中最先暴露的是各

种振动故障，即结构动力学问题。飞机设计工程中出现的众多结构动力学问题，不仅会耗费大量人力、财力和物力，而且会延误飞行器的设计周期。结构静强度设计主要取决于材料性能和工艺性能，而结构动力学设计不仅与材料、工艺有关，而且涉及到结构刚度、惯性、阻尼以及附加子结构，甚至结构的边界支持情况，还要考虑到外载荷的变化。因此，结构动力学设计问题远比结构静强度设计问题要复杂和困难。对于以受动载荷为主的结构，进行结构动力学设计是避免出现振动故障、提高结构动力学性能的有力手段。

【结构动力学设计指标】

根据不同的结构和工作环境而对结构动力学设计指标有不同要求，但总的说来，主要的结构动力学设计指标可以归结为如下三个方面：

结构动力学设计的指标之一是避免有害的共振，即根据工作环境的激励频率，对结构的振动频率进行控制，使之具有预期的固有频率，从而提出了固有频率设计要求。

结构动力学设计的指标之二是，避免结构的过度振动，降低振动水平。即对结构的动力学响应进行控制，从而提出了动力学响应设计要求，包括对固有振型（节线或节点）的设计要求。

结构动力学设计的指标之三是对动稳定性的设计要求，以保证结构在动力学稳定边界内工作。如飞机前轮摆振稳定性设计、气动弹性稳定性设计等。

根据不同的结构动力学设计指标，形成了众多的结构动力学设计方法。而对一个具体结构，结构动力学设计方法又取决于设计指标，而且与设计措施紧密相关。对于正在设计的结构，设计措施就是改变结构某些重要的可设计参数，进行结构动力学分析，而对于已经设计好的结构，设计措施可以是修改结构参数，也可以采用附加子结构系统的方法。

进行结构动力学设计的一项重要工作是进行结构的动力学灵敏度分析，动力学灵敏度是指结构的振动特性和动力响应因结构参数的改变而变化的程度。通过灵敏度分析来确定修改哪些结构参数以实现结构动力学设计目标更有效，从而指导选择设计措施。通常结构的动力学灵敏度分析是特征灵敏度分析，即结

构动力学特性对结构参数的灵敏度。在第八章中，我们已经对灵敏度分析作了介绍。在确定了设计参数后，如何在满足设计参数的限制条件下，设计得到最佳的参数，获得最好的结构动力学性能，实际上是一个数学上的约束优化问题，也就是所谓的“结构动力学优化设计”。结构动力学优化设计的研究，近几年来获得了长足的发展，针对不同的动力学指标，提出了各种各样的优化设计分析方法。本章主要介绍多频优化的结构动力学设计方法以及频响优化的结构动力学设计方法。

§ 优化方法

结构动力学设计过程是，将结构系统构造成一个带有设计变量的数学模型，通过对设计变量的选取，来实现动力学设计要求，并满足设计中所受到的限制。从数学上讲，结构动力学设计构成数学上的约束非线性规划问题，即约束优化问题。

【目标函数】

结构动力学设计的目的是控制结构振动特性和降低结构振动水平，得到一个具有良好结构动力学性能的结构系统。结构系统的动力学性能要求，就构成对它进行动力学优化设计的目标函数。它可以用结构的实际性能数据与其目标值之差的平方和来构造，也可以用结构动力学变分原理形成的性能函数来构造。由它们的极值条件（通常是极小值）给出最优解，来获得具有良好的动力学性能的结构系统

结构系统的振动特性，主要可由它的固有频率和固有振型等模态参数来表示，为了避免共振，必须使结构的固有频率避开激振力的频率（频带）。特别是对最低的前几阶频率。设结构前m 阶频率是i ω),2,1(m i Λ=，要求经过动力学设计后相应频率的目标值是*i ω),2,1(m i Λ=，按其偏差的加权平方和最小来构造如下的目标函数：

∑=-=m

i i i i r f W P J 12*)()(ωω （9－1）

i W 为频率权函数。

结构的动响应特性，可以用它的频率响应函数或脉冲响应函数来表示。由于频域内结构动响应)(j X Ω通常采用模态叠加法进行计算，引入模态频率响应函数)(j i H Ω后，系统频域响应为：

∑==m

i j j i j f H X 1)()()(ΩΩΩ （9－2）

为了使结构系统在一个给定频带)(h l ΩΩ内的动响应幅值趋近于目标值)(*j X Ω，可构造如下的目标函数：

j j j j r r d X X W P J h

l ΩΩΩΩΩΩ2*))()(()()(-=⎰ （9－3） )(j W Ω为响应权函数。

当然，对于不同的动力学设计问题，还可以构造出其它的目标函数。结构动力学设计就是要上述的目标函数有最小值，即使得：

))(m in(r P J （9－4）

【约束条件】

动力学设计过程中，要受到各种条件的制约，构成它的约束条件。约束条件有两类：性能约束和边界约束。

性能约束是指结构所必须具有的某些性能要求，如在结构动力学设计时，仍应保证结构有足够的静强度，即满足应力约束准则：

0)(max ≥-r b P σσ （9－4）

还有其它的动力学特性要求，如为保证动稳定性要求的阻尼准则：

0)(0<-r P ηη （9－5）

以及对结构重量的要求，特别是对于航行器，优化设计的结果不能降低其航行的性能，就要求结构在设计后重量不应超过重量的允许值：

M m P m r i ≤+∑0)( （9－6）

边界约束是对设计参数变化的上、下界进行限制，防止在设计中出现不切实际的量值：

)()(U r r L r P P P ≤≤ （9－7）