基于子结构平均单元能量的结构动态特性优化

为了提高结构优化的可行性和高效性,提出了一种基于子结构平均单元能量的结构动态特性优化方法。从建立优化模型出发,结合结构几何特性将整体结构划分为多个准设计变量子结构,对于桁架结构来说,将每根杆作为一个子结构,对于连续结构而言,多个单元作为一个子结构,再结合结构平均单元体积应变能及平均单元动能与结构动态响应贡献的关系,将平均单元体积应变能较大的结构单元作为尺寸应该变大的子结构,平均单元动能较大的结构单元作为单元尺寸应该变小的子结构,从而确定了设计变量的合理范围。推导了平均单元能量与结构动态响应的关系,构造了结构动态特性优化模型,调用基于梯度的优化器进行迭代寻优。以124杆桁架结构为例的三类优化模型进行优化分析,并与传统优化方法从优化结果和收敛性两方面进行比较,说明了文中方法的合理性和优越性。     

基于子结构凝聚的多层级拓扑优化设计理论与应用

提出一种基于子结构凝聚理论的多层级拓扑优化方法,用于设计包含细密几何特征的结构.该方法将高层级整体结构划分为若干低层级子结构.其中,高层级结构通过变密度拓扑优化方法获得结构构型;低层级构型以结构几何参数描述,采用静态凝聚法实现内部节点自由度凝聚,通过对结构参数寻优实现低层级变拓扑的优化设计.通过承载梁最小柔度设计及散热结构局部热源冷却设计算例,验证了所提方法的有效性.     

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法

针对变密度多孔结构设计依据的拓扑优化密度信息不能被充分有效利用的问题,提出一种基于拓扑优化局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法。该方法根据多孔结构力学特点建立等效连续体的拓扑优化模型,通过拓扑优化密度的局部映射策略和调整方法,将拓扑优化的密度信息映射到多孔结构单元并根据映射的相对密度生成变密度多孔结构。此外,为检验多孔结构与拓扑优化密度信息的匹配程度,提出一种基于体素化和矩阵相似度的分析评价方法。最后以不同尺度的二维蜂窝为案例,验证了所提变密度多孔结构设计方法的可行性和有效性。     

电动汽车车架的多目标拓扑优化-尺寸优化-精细化设计

以某电动旅游观光车桁架式车架为例进行多目标优化,先后采用了基于梁单元的多次局部迭代拓扑优化方法、基于梁单元的横截面尺寸优化方法和基于壳单元车架强度分析的精细化设计方法。具体步骤为,首先建立基于梁单元的车架有限元模型,以车架的刚度性能为优化目标建立多目标优化模型,通过多次局部迭代拓扑优化确定梁结构的布置位置,然后以梁的横截面长、宽、壁厚作为优化变量进行尺寸优化设计,确定车架梁的横截面尺寸;在此基础上,建立基于壳单元的车架有限元模型进行强度分析,基于强度分析结果对车架的高应力区域进行精细化设计,最终优化后的车架质量降低了10.5%,性能至少提升了9.3%,并且直接可以用于生产制造。该优化设计方法综合运用了梁单元模型和壳单元模型分析的优势,分别应用于概念设计阶段和工程设计阶段,为桁架式车架的优化提供参考。     

车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计

系统性地构建了一体压铸结构的优化方法,基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车身压铸件轻量化设计。首先,缩减复杂的车身系统,针对连续的车体结构,提出了子系统划分原则和方法,分别对各子系统进行超单元缩减,保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率,为快速优化奠定基础;其次,同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能,采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建综合目标函数,应用层次分析法得到子目标权重系数,进而开展了多模型拓扑优化,确定了加强筋位置分布;进一步地,同步考虑可设计与可制造性,对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义,并在优化过程中施加制造约束,基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计。研究结果表明：在保证分析精度的前提下,缩减的车身系统模型可节省97.3%的计算资源;通过优化,在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相关性能的同时,可实现轻量化,表明了所提方法的正确性和实用性。     

基于局部振动测试的约束子结构模型修正方法

针对大型复杂结构模型修正中待识别参数过多、修正效率低等问题,提出一种基于局部振动测试的约束子结构模型修正方法。首先,利用子结构部分的振动测试响应构造约束子结构,从而将子结构从整体结构中隔离出来,形成独立简单的结构,有效地隔绝整体结构对子结构的影响。然后,基于构造的约束子结构响应数据,直接对待修正的目标子结构进行模型修正。最后,以一个T形钢管焊接结构和某发射台骨架为例,对所提方法的有效性进行了验证分析。结果表明,该方法不仅能够减少待识别参数,简化修正过程,而且修正效率及精度也较高,为大型复杂结构的模型修正提供了一种新思路。     

7500t浮式起重机金属结构的动态优化设计

采用动态子结构方法在有限元平台上建立了7 500t浮式起重机的动力学模型,应用动态分层优化方法进行整体层和局部层的动态优化.在整体层,实现整体结构的尺寸参数优化,提高臂架在起升平面内弯曲模态的固有频率;在局部层,实现关键子结构的截面参数优化,改善关键子结构的动刚度.通过动态优化设计,有效改善了7 500t浮式起重机金属结构的动态特性,提高了其主要模态的动刚度.     

基于局部截面构型优化的双稳态结构跳跃阈值控制与设计*

双稳态结构正反行程跳跃阈值不相等引起的驱动困难是制约其工程应用的瓶颈问题。基于大变形有限元理论分析了影响双稳态结构跳跃过程的关键因素,引入跳跃阈值力、稳态保持力以及双稳态特征系数(二者的比值)作为描述双稳态特征的指标,提出了基于局部单元截面构型优化的双稳态跳跃阈值控制方法,建立了具有特定跳跃力学特征的双稳态结构优化设计模型,以局部单元的截面尺寸、个数及位置为设计变量,采用分步优化的方法,得到了几类具有不同双稳态特征系数的余弦梁新构型,分析了变截面单元厚度及布置方式对跳跃阈值及路径的影响关系。数值仿真结果表明,局部截面构型改变前后双稳态结构的跳跃时间及振动频率变化不大。考虑试验加载位置与夹持条件对双稳态特征系数的影响,仿真与试验结果基本一致,验证了所提出的双稳态结构跳跃力控制方法的有效性。     

局部几何特征急变类零件分区变参工艺制定方法

高端装备中许多关键零件存在局部几何急变特征,由于多采用难加工材料、特殊结构,加工难度大,或者虽能加工但效率极低,无法满足高端装备快速发展的需求。随着数控加工技术的发展,局部几何特征急变类零件的高效数控加工技术成为目前工业生产领域研究的热点与难点。鉴于局部几何急变特征的存在,局部几何特征急变类零件采用统一工艺参数进行整体加工的加工工艺对该类零件适用度降低,制约了此类零件加工效率的提升。针对局部几何特征急变类零件,研究复杂曲面CAD模型基于局部几何急变特征的快速分割方法及功能结构件基于机床动态特性的加工误差模型,由此提出了局部几何特征急变类零件分区变参工艺制定方法,最终根据加工区连续特征生成序列化加工程序,可在数控加工设备上实现局部几何特征急变类零件高质高效加工。研究成果为局部几何特征急变类零件加工工艺制定提供了一种新方法。     

车削刀具几何参数低碳优化建模与求解

为了实现车削加工过程的低碳化并提高加工质量,在分析车削加工过程中能耗特征及切削温度与刀具几何参数之间关系的基础上,以刀具前角和主偏角为优化变量,考虑加工过程机床设备和加工质量等约束,建立了车削加工刀具几何参数低碳优化模型;针对所建模型,提出一种基于改进的自适应遗传算法的优化求解方法。实例分析表明,以低碳排放为优化目标、以切削温度为约束条件优化车削刀具几何参数,可使碳排放和切削温度比原刀具参数分别降低12%和17%。所建模型和方法可为制造企业优化选择刀具几何参数降低碳排放提供理论方法支持。     

量子遗传算法优化的SVM滚动轴承故障诊断

针对单一测度模型的特征评价方法存在特征敏感度"欠学习",以及支持向量机(support vector machines,简称SVM)参数优化算法普遍存在收敛速度慢、易陷入局部极值等问题,提出一种量子遗传算法优化的SVM滚动轴承故障诊断方法。首先,采集振动信号中的时域和频域特征构成多域多类别原始故障特征集;其次,构建一个基于相关性、距离及信息等测度的混合特征评价模型,得到特征权重与特征值组合构成的加权故障特征集;最后,将加权故障特征集为输入,将量子熵引入到量子遗传算法当中,对SVM的结构参数进行全局优化,完成滚动轴承故障模式的识别。试验结果表明,该方法能够以更快的速度收敛至全局最优解,在保证聚类性能的基础上提高了滚动轴承的诊断精度。     

基于量子粒子群优化Volterra时域核辨识的隐Markov模型识别方法

将量子粒子群优化算法引入Voherra级数模型的非线性辨识中,并结合隐Markov模型(hidden Markov model,HMM),提出了一种基于量子粒子群优化的Voherra时域核特征提取的HMM识别方法,在提出的方法中,利用量子粒子群优化算法辨识得到的前三阶Volterra时域核作为故障特征,输入到各种状态的HMM中,其中,输出概率最大的HMM对应的状态即为设备的当前运行状态.提出的方法克服了传统的基于Volterra模型系统的机械故障诊断要求目标函数连续可导、容易陷入局部最小以及抗干扰能力差等缺陷.最后,将提出的方法应用到旋转机械故障诊断中.实验结果验证了该方法的有效性.     

基于压缩频响函数的结构损伤识别

结构的损伤识别可作为一个优化问题来处理。本文直接应用频响函数(FRF)进行结构的损伤识别。通过对FRF的主成分分析(PCA)实现数据压缩和特征提取,建立基于压缩FRF的优化目标函数。为了提高算法的收敛速度,以结合局部搜索算法(LS)的遗传算法(GA)为优化工具,并进一步结合子结构识别法来求解。基于桁架的计算结果表明,这种方法具有很好的鲁棒性和识别效果。     

循环对称结构静力学渐进拓扑优化设计

采用双向渐进结构优化方法(BESO)研究循环对称结构拓扑优化设计问题.循环对称结构的几何特征无法划分为均匀一致的网格,造成单元灵敏度计算结果与单元体积直接相关,不同网格剖分后的单元体积分布将导致渐进优化过程中不同的单元去除顺序,最终使得优化结果具有单元体积依赖性.针对循环对称结构的特殊性,提出灵敏度密度新概念与消除非等体积单元棋盘格现象的体积加权灵敏度密度过滤新方法,大量算例表明这是一种有效的方法,同时优化结果也充分显示子结构单胞尺寸效应对优化构型的显著影响.     

基于等几何分析的结构形状优化设计研究

等几何分析方法是近年来发展起来的一种新型数值方法,具有几何精确描述、多种网格细化方法和稳定的高阶连续协调单元等特点。本文结合该方法建立了结构优化的数学模型,通过工程实例考察了该方法应用于结构形状优化设计的有效性,结果表明基于等几何分析的结构形状优化是可行的,对克服形状优化中边界可动、网格扭曲和重建等难题提供了有力的支持,为产品设计、分析和优化过程的集成统一提供了新的选择,供工程技术人员参考。     

面向飞机颤振模型设计的结构拓扑优化研究

飞机颤振模型的结构设计是一个以固有频率为目标、兼具结构相似要求的反求问题。针对拓扑优化方法只能得到不规则孔洞而无法满足模型相似要求的难题,提出了一种含规则几何约束的结构拓扑优化方法,并将基于单元材料特性更改的方法与双向渐进结构法相结合,利用敏度再分配方法,实现了以频率为目标、具有规则孔洞的结构拓扑优化,且有效抑制了优化中的棋盘格式和局部模态现象。某飞机机身壁板的优化算例证明,该方法能设计出具有给定固有频率的结构,并使之与原机身具有一定的结构相似性。     

大型机械结构的分层动态优化方法

针对大型机械结构动态优化设计维数高,同时涉及外形尺寸和截面尺寸两类变量,采用整体优化策略,存在收敛困难的问题,提出了采用分层优化结合子结构方法的机械结构动态优化策略。以有限元方法为基础,将外形尺寸和截面尺寸分离到两个相对独立的设计空间,从而将整体优化问题分解为整体层优化和局部层优化两个子优化问题。在整体层以整体结构动态特性最优为目标,完成对外形尺寸的优化;在局部层以子结构动态特性最优为目标,完成对截面尺寸的优化;两层优化交替进行直至问题最后收敛。某型大跨自动扶梯金属结构的动态优化工程实例表明,该方法优化效果良好且优化效率高。     

激光选区熔化区域连续能量调控扫描方法研究

针对激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形悬垂结构件中存在的翘曲、挂渣等成形质量问题,基于局部区域传热差异性和层间热量传递性研究成形过程中已凝固实体与粉末分布对温度分布的影响,从而对悬垂件的成形进行优化。建立了基于零件几何信息驱动的能量调控优化模型,通过识别模型的几何特征,根据局部区域内的凝固实体和材料粉末的比例计算能量影响因子,实现基于软件自适应调节的变工艺参数的定域定量扫描,最终实现区域能量连续调控与工艺优化。选取典型悬垂件进行316L材料的打印实验作为验证,结果表明相较于未优化的普通扫描方案,基于软件自动能量调控的优化扫描方案可以提高小于45°倾角的悬垂结构件的成形质量,成形40°悬垂结构件时,变参数成形的悬垂面面平均粗糙度Sa(Surface average roughness)达24.03μm,相比定参数成形的Sa为46.32μm,表面光洁度明显提高;同时可无支撑成形8 mm跨度的水平悬垂件。