基于代理模型的通风盘式制动器制动盘结构优化设计

该文提出一种基于代理模型的复杂结构优化设计方法,并用于通风盘式制动器制动盘结构优化设计。提出的优化设计方法集成了CAE分析、实验设计、代理模型构造及非线性优化几部分,实验设计采用拉丁超立方抽样策略,代理模型选用改进的响应面模型,非线性优化算法采用序列二次规划算法。为了解决传统的响应面模型部分预测值与实验值误差较大问题,改进方法认为只有能够确保在每一个抽样点处的预测值与试验值的相对误差均在一定范围内的响应面模型才是一个可行的模型。在保证制动盘质量不变情况下,以寿命最大化为目标,应用设计的集成优化方法对制动盘进行优化设计,优化设计结果较好,其中制动盘疲劳寿命根据Coffin-Manson方法预测,制动过程中制动盘表面最大热应力及最高温度通过热机耦合的有限元模拟紧急制动过程获得。优化结果表明该文提出的方法是一种有效的复杂结构的优化设计方法。     

基于ICM方法的层合板结构流固耦合频率约束拓扑优化

该文基于独立、连续、映射(independent continuous mapping, ICM)的拓扑优化方法,针对层合板结构频率约束下流固耦合的拓扑优化问题进行了建模与求解。利用格林公式与瑞利商,进行了优化模型频率约束的显式化,并基于泰勒线性近似的方法推导了设计灵敏公式,同时采用对偶序列二次规划求解了该模型。另外,通过引入修正的Heaviside函数对拓扑变量进行了离散化处理。利用PCL(Patran Command Language)二次开发平台对现有MSC.Patran软件进行二次开发,并通过MSC.Nastran软件求解器,实现了优化算法。数值算例证明了该文程序与算法的有效性与可行性。     

基于应力约束全局化策略的板壳结构强度拓扑优化

应力约束下板壳结构的拓扑优化设计由于应力约束难以显式化和约束条件数量庞大等问题,存在建模和求解的困难。为了解决这些困难,首先,该文通过类比独立连续映射(Independent Continuous and Mapping, ICM)方法中的过滤函数,在实体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material Penalization, SIMP)方法中引进了单元重量惩罚函数和材料许用应力惩罚函数,实现了对SIMP方法惩罚函数概念的拓广。然后,该文移植了ICM方法中行之有效的应力约束全局化策略,基于拓广后的SIMP方法,构造了代替应力约束后的结构畸变能约束的近似显式化函数,建立了多工况下板壳结构拓扑优化模型。最后,采用对偶序列二次规划算法求解该优化模型,并基于Python语言在ABAQUS软件平台进行了程序实现。数值算例都取得了很好的结果,这表明该文提出的方法是可行而有 效的。     

基于梁理论的复杂梁式结构低阶频率快速求解方法

工程计算中常遇到纵向尺度显著大于横向的复杂梁式结构,基于此类大型复杂结构的精细有限元模型建立一个能够预测结构动力性能、实现复杂结构的快速动力分析和优化的近似降阶模型,成为这类结构设计工作者一直关心的问题。该文提出一种基于梁平截面假设和梁位移插值函数的动力模型降阶方法,建立了具有明确物理意义的降阶模型。利用降阶模型计算得到的模态向量是原结构特征向量的高精度近似,基于一次瑞利-里茨逆迭代获得了原结构高精度的低阶频率,并且与Krylov子空间法进行了对比。具体算例表明了降阶方法的有效性。     

异型网架结构分级优化方法及其工程应用

异型网架结构具有受力复杂、形体变化大和结构参数相关性强等特点,导致该类结构的优化分析一直是研究的难点。从异型网架结构的几何特征和受力特点出发,以异型网架结构重量最轻为优化目标,提出适合于异型网架结构的分级优化模型,即第一级基于网架结构的局部约束,进行满足杆件强度和稳定的截面优化;第二级基于网架结构的整体约束,完成结构位移和整体稳定等优化。将离散变量优化和相对差商法进行结合,给出了适应于异型网架结构分级优化的计算方法。基于上述研究成果,应用ANSYS软件及其参数化语言,编制了异型网架结构的分级优化程序。以某实际工程为研究对象,通过与网架设计通用软件MST的计算结果比较,表明并验证了该文异型网架结构分级优化方法的有效性和实用性。     

位移约束刚架拓扑优化的非线性有无复合体方法

为了提高基于物理模型的结构拓扑优化的寻优效率, 该文提出了非线性有无复合体, 以刚架结构在位移约束下的拓扑优化为例, 进行了结构重量目标函数极小化的数学模型建立和程序实现。与线性有无复合体不同, 非线性有无复合体是无限多个无穷小的“有单元”和“无单元”各自长度的非线性组合。由于每个梁单元“有”单元长度和“无”单元长度之和的不变性, 其拓扑变量可以用“有”单元的总长度予以表达。推导了结构重量、位移约束同结构拓扑变量的显式函数, 建立了优化模型。使用线性规划算法求解了相应的优化模型, 算例表明, 该文方法的寻优效率得到了提高。同作为数学变换的ICM(独立、连续和映射)方法比较, 该文提出的作为物理模型的方法, 二者在解决结构拓扑优化上具有异曲同工之效:后者的“有”单元长度的非线性关系替代了前者的单元重量、位移约束中的过滤函数。数学变换方法与物理模型方法的异同点更是耐人寻味。 方法     

基于结构多尺度模拟和分析的大跨斜拉桥应变监测传感器优化布置研究

该文以润扬大桥斜拉桥钢箱梁结构为研究对象,针对结构安全评估为目标的大跨桥梁结构健康监测系统中应变传感器的优化布置问题,提出了一个基于桥梁结构多尺度模拟和结构响应分析结果进行应变传感器优化布置的方法。通过斜拉桥脊骨梁模型来研究确定钢箱梁的关键截面,通过子模型方法实现钢箱梁结构的多尺度模拟和从结构整体到主要局部构件中的应力状态分析,据此进一步分析和确定斜拉桥健康监测系统中钢箱梁结构应变传感器的安装位置,并用在润扬斜拉桥上进行的静动载试验的测试结果验证了结构整体与局部响应分析结果,从而间接验证了应变传感器优化布置结果的正确性。     

飞行器机翼气动/结构耦合优化设计研究

基于CFD/CSD耦合数值计算,以升力特性为优化目标,采用响应面算法优化光固化树脂材料的轻质F4风洞模型构型,寻得6个优化解,并采用光固化快速成型技术(SL)制作这6个F4风洞实验模型。实验结果表明:6个模型升力特性与国外静气动弹性修正后的结果较接近(特别是6#模型最为接近机翼弹性变形的三维效果),初步证明该文发展的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,既为基于SL技术的轻质模型高速风洞应用提供了支持,又为多气动参数的飞行器气动/结构耦合优化和风洞试验数据静弹性修正建立了工作基础。     

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。     

基于复杂三维有限元模型和鱼群算法的平面不规则结构中位移型阻尼器参数和位置的优化方法

平面不规则结构在水平地震作用下由于结构刚心和质心不重合而引起的结构扭转耦联使得结构位移比不满足规范要求。在平面不规则结构中布置位移型阻尼器能有效的减小结构的位移比,但阻尼器的参数和位置直接决定了对结构的扭转反应控制效果。首先设计简单的双向偏心框架结构算例,研究位移型阻尼器布置位置和参数对平面不规则结构扭转响应的控制规律。在此基础上基于基本人工鱼群算法结合有限元软件SAP2000API开发一种针对偏心结构中位移型阻尼器布置的优化模型,模型面向多维多自由度实际有限元结构模型,可同时对结构各层位移型阻尼器的布置位置和参数进行优化。最后,利用该文建立的优化模型对某位移比超限的多层不均匀偏心实际结构中的位移型阻尼器进行优化布置,结果表明该文优化模型计算出的位移型阻尼器布置方案使结构的位移比得到了有效的控制。     

钢筋混凝土结构的应力拓扑优化方法研究

基于预测混凝土失效行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则,研究了进行钢筋混凝土结构配筋设计的应力拓扑优化方法。结合扩展的双材料密度惩罚模型,优化问题构造为以单元人工密度为设计变量、混凝土材料Drucker-Prager屈服函数为约束条件的钢筋用量最小化问题。为合理定义混凝土应力并防止应力奇异解现象,采用局部应力插值模型和ε-松弛方法对混凝土应力约束条件进行处理。推导约束函数的伴随法灵敏度计算公式,运用基于梯度的连续性优化算法求解优化问题。数值算例验证了所提优化模型的正确性及数值算法的有效性,并通过与传统最小柔顺性拓扑优化结果的比较,说明了该文方法能够充分利用混凝土的抗压能力和钢筋的抗拉能力,设计结果更为实用。     

输电塔结构离散变量优化设计方法

鉴于格构式输电塔结构具有杆件众多、型式复杂等显著特点,所以建设和发展既安全可靠,又经济合理的此类结构一直是工程界的研究热点和难点。因此,该文提出了一套完整的基于蚁群优化算法的输电塔结构离散变量优化设计方法。该方法是在结构的截面、拓扑和形状变量统一转化为离散变量的基础上,将4类不同层次的优化问题统一为不同规模的标准化旅行商问题,并最终采用蚁群算法实现输电塔结构的优化设计。通过对某一实际输电塔结构的优化设计表明:该文方法不仅可以简单高效的求解输电塔结构的截面、拓扑、形状和布局优化问题,而且清晰明确的阐述了不同优化内容的物理意义和优化准则,实现了优化方法和思路的统一。此外,基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化方法通用性强、易于程序化,而且具有非常好的工程应用前景。     

基于粒子群算法优化支持向量机的视频火焰检测

为提高火焰检测精度,该文提出了一种基于粒子群算法优化支持向量机的视频火焰检测方法。利用背景减除法对视频图像进行处理,得到原始图像的二值化图,通过提取二值化图的图像特征确定火焰检测模型的支持向量。采用PSO算法优化SVM的惩罚系数和核系数,建立了基于PSO-SVM的视频火焰检测模型,仿真分析结果表明,该文所提出的火焰检测方法的检测精度和检测时间分别为97.31%和31.94s,检测结果明显优于SVM和GA-BP算法,验证了该文所提方法的正确性和实用性。     

基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法

拓扑优化方法经过几十年的发展,已成功应用于机械工程、航空航天、电磁等领域的构型设计中。然而,由于制造工艺的限制,拓扑优化结果通常无法直接应用,需根据工艺要求进行修改,因此在拓扑优化模型中考虑制造约束成为重要的研究方向。其中,尺寸控制广泛存在于大部分制造工艺中,主要包括最小尺寸控制与最大尺寸控制。该文提出了一种基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法,构造了一种新的映射模型,对结构中不满足最大尺寸约束的中心单元密度进行惩罚,在不引入任何约束条件的情况下实现了对结构最大尺寸的控制。此外,该文将该方法中的惩罚转变为一个全局约束条件后与具有最小尺寸控制功能的拓扑优化鲁棒列式相结合,实现了对构件的最大最小尺寸协同控制。数值算例表明了该方法的有效性。     

基于Kriging代理模型的多点加点序列优化方法

基于Kriging 代理模型提出了一种同时考虑预测响应值及其不确定性的多点加点准则,并基于该准则发展了一套序列近似优化方法。多点加点准则基于初始样本信息和所预测的对象函数特征增加新样本集,以在寻优迭代过程中自适应地提高代理模型的精度。该文方法依据多点加点准则在一次迭代中增加多个空间无关的新样本点,适用于多机同时计算或并行计算,从而提高计算效率。以两个经典的数学函数为例,将该优化方法与期望提高准则方法进行了比较,结果表明该文提出的优化方法能够有效地提高最优解的全局性。将方法用于一盒式注塑件的成型工艺优化设计,优化结果也表明了该方法的有效性。     

基于模态参数及BAS-PSO优化算法的软基水闸有限元模型参数修正方法

正确合理的有限元模型对于软基水闸结构健康监测及性能评估至关重要,但水闸有限元模型参数的不确定性使得建立的水闸有限元模型难以准确地反映水闸结构真实的动力学特性,该文结合模态参数和基于天牛须搜索算法的粒子群(BAS-PSO)优化算法,提出了一种软基水闸有限元模型参数修正方法。选择对水闸模态参数影响较大的弹性模量和密度作为待修正参数,建立反映软基水闸待修正参数和模态参数之间非线性关系的基于遗传算法的支持向量回归(GA-SVR)代理模型;提出基于GA-SVR代理模型计算模态参数与水闸振动模态参数之间相对偏差最小的目标函数,构建软基水闸有限元模型参数修正的最优化数学模型;提出一种BAS-PSO优化算法来求解最优化数学模型,克服了局部最优和收敛速度慢的问题。通过软基水闸物理模型实例表明,修正的有限元模型计算的模态参数与水闸识别模态参数在数值上比较吻合,该文方法合理可靠且具有良好的可行性,可为软基水闸有限元模型参数修正提供一条新思路。     

失效模式约束下层级褶皱结构的多目标优化

基于欧拉梁和弹性薄板理论,该文分析了二级层级褶皱结构的板模型在剪切或压缩载荷下对应的六种失效模式及对应的名义应力。通过比较名义应力值,控制发生的失效模式类型,并结合多目标优化算法,同时进行最小重量和最小挠度的性能优化。该文建立了两种优化模型:一是控制首次发生的失效模式类型;二是根据损失大小将失效模式分级,并按照等级序列发生。在此基础上,讨论了两种优化模型的Pareto前沿图中典型设计点的性能指标,最后采用有限元分析验证失效模式类型。结果表明:两种优化模型得到的结构设计,分别与控制发生的类型一致,综合性能得到极大提升;第二种模型考虑了应力值的差异,防止结构突然发生整体失效,更加安全。     

结构畸变比能处理的应力约束全局化的连续体结构拓扑优化

该文根据von Mises强度准则的畸变比能本质,计算单元畸变比能替代应力约束;依照应力全局化策略,定义结构畸变比能约束概念,求解应力约束下重量最小的连续体结构拓扑优化问题,急剧地减少了应力约束。构造许用应力和结构最大应力的比值含参数幂函数,对约束限进行动态修正。基于ICM(Independent Continuous and Mapping,独立、连续、映射)方法,采用指数型快滤函数建立了结构在畸变比能约束下的结构拓扑优化模型,并选取精确映射下的序列二次规划进行求解。数值算例表明:采用修正的结构畸变比能的应力全局化策略,对于结构拓扑优化问题的求解是有用和高效的。该文提出的方法对解决工况间存在病态载荷的问题也是有益的。     

基频约束下的桁架结构半定规划法拓扑优化

大型复杂结构出现重频时该频点处不具有通常意义下的导数信息,基于灵敏度分析的优化算法遇到很大困难。若优化模型存在平衡方程等式约束,则为非凸优化,很难找到全局最优解。对此该文以桁架结构为研究对象,采用半定规划法建立了以结构系统体积和基频为约束,以柔度最小为目标的凸优化模型。通过将柔度和基频构造成半定矩阵的形式,将传统优化模型转化为半定规划模型。该模型将杆件横截面积和柔度均视为优化变量,模型的特点是在求解过程中不必计算特征值的灵敏度,对有无重频问题均适用。数值算例表明采用半定规划法处理重频优化问题是正确可行的。     

基于空间位形的在役索膜结构有限元模型修正与安全评估

索膜结构的内力分布与空间位形相互关联,受施工阶段的几何找形与服役阶段的结构损伤、性能退化等影响,在役索膜结构的实际位形与设计状态有所差异,结构的服役性态未知,工程上的安全评估难以操作且并无可靠方法借鉴。该文提出了一种基于空间位形指标的在役索膜结构有限元模型修正方法,以模型中拉索的初始预应力作为优化参数、以结构关键节点坐标的匹配作为模型修正目标函数,通过构建基于结构特征点空间位置信息的目标函数来反映有限元模型与实际结构的吻合度,设计ABAQUS与MATLAB联合仿真优化程序,利用全局搜索和局部优化实现模型修正。现场试验采用三维激光扫描获取在役索膜结构空间位形信息,基于实测数据对有限元模型进行修正。修正后模型与实际结构受力状况更为接近,与索力的实测结果对比表明,有限元模型的索力由修正前最大偏差10%~30%降低至10%以下,验证了方法的有效性与准确度。利用修正后的有限元模型实现了在役索膜结构的安全评估。