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International Journal of Mechanical Sciences
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Directional damping design of viscoelastic composites via topology optimization
Ma J.; Zhang X.; Kang Z.
Published：2024-08-01
DOI：10.1016/j.ijmecsci.2024.109300
研究背景
当今社会，人们对于材料具有所需阻尼性能的设计越来越感兴趣，这不仅在学术研究中备受关注，也在工业应用中发挥着重要作用。然而，在当前研究领域中，如何实现粘弹性复合材料的“定向阻尼”设计仍然是一个亟待解决的问题。
研究内容
这项研究探讨了粘弹性复合材料的“定向阻尼”概念，并开发了一个拓扑优化框架来实现定向阻尼设计。通过最大化损耗因子并施加刚度约束，获得了既具有承载能力又在指定方向具有主导阻尼的微结构。优化的定向阻尼微结构设计在指定方向的损耗因子比各向同性设计高出1.8倍。研究发现，优化的弯曲粘弹性条带结构类似于啄木鸟喙部的波浪“缝合”线，具有出色的能量吸收性能。通过数值模拟和微结构复合材料的实验验证了定向阻尼设计的优越性。实验结果显示，与各向同性设计相比，定向阻尼设计显著降低了峰值响应。为展示优化单元微结构的应用潜力，设计了一种新颖的概念无气胎，通过数值模拟和实验证实了其具有改进的刚度和减震性能。
研究意义
这项研究的创新点在于提出了定向阻尼设计概念，并通过拓扑优化方法实现了这一设计。优化的微结构设计不仅在损耗因子方面表现出色，还在实验中展现出明显的性能优势。这种新颖的设计方法有望为材料科学和工程领域带来新的发展方向，为未来的材料设计与应用提供了有益的启示。
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