碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。     

不同胶接参数对CFRP层合板单搭胶接结构强度的影响及优化设计

对于碳纤维增强基复合材料(Carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)层合板单搭胶接结构的优化问题,首先利用连续损伤力学模型、三维Hashin准则和内聚力模型研究不同胶接参数对CFRP层压板单搭胶接结构力学性能的影响,其次采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化.结果 表明,仿真与试验吻合较好,数值结果与试验结果的误差均低于10％,验证了有限元模型的精确性.随着搭接长度的增大,拉伸强度和层合板层间分层损伤程度逐渐增大,剪切强度和胶层自身剪切失效程度逐渐减小;胶接结构的力学性能及失效形式随着铺层方式的不同而改变.最佳铺层顺序、胶接长度、胶层厚度和搭接宽度分别为[03/903]2s、20 mm、0.0607 mm和10 mm.与常规单搭胶接结构相比,拉伸强度和剪切强度分别提高了25.92％和25.88％.采用遗传算法对CFRP层合板单搭胶接结构进行优化,对提高单搭接接头的力学性能具有重要意义.     

基于粒子群算法的机翼蒙皮层合板铺层参数设计

在复合材料机翼蒙皮的设计中,上蒙皮的稳定性和面内刚度问题一直被重点关注.为研究蒙皮铺层参数对稳定性和面内刚度的影响,文中建立了基于粒子群算法的权重理想点法的多目标优化模型,并对机翼蒙皮层合板在不增加结构质量的前提下进行蒙皮刚度和稳定性的多目标优化设计.提出的权重理想点法可以使多目标问题更灵活和简洁地转化为单目标优化问题.针对层合板优化的特点,在标准粒子群算法中引入自适应惯性权重和变异策略,提高了优化精度.最后对4种蒙皮层合板进行了优化计算,得到的数据对工程实际设计机翼蒙皮层合板铺层参数有参考价值.     

复合材料加筋壁板结构工程化优化设计

针对飞机结构减重的需求,对复合材料加筋壁板结构的优化设计工程化方法进行发展和研究。为减少优化规模,采用布局尺寸优化和铺层顺序优化两级优化的策略进行优化。布局尺寸优化采用内点罚函数法、Powell方法和黄金分割法,在保证稳定性约束条件下减少结构重量;铺层顺序优化运用了铺层参数的概念来提高优化效率。算例表明,该方法在满足约束条件的情况下,很好地实现了结构的减重,且求解效率较高,方便工程实用。     

风力机叶片铺层参数多目标优化设计

叶片铺层设计为一个多参数、多目标的复杂耦合作用过程,其性能主要取决于铺层参数。通过推导正轴刚度不变量和弯扭刚度矩阵间的关系,构建层合板刚度等效模型与铺层顺序表征参数之间的数学关系,实现铺层顺序的量化;应用均匀试验设计、有限元分析和和多元非线性回归法,构建铺层参数和叶片性能间的耦合数学模型,分析单参数和两两参数对叶片刚强度的影响;为实现叶片刚强度的多目标优化,应用层次分析法计算各目标函数权重,建立叶片多目标优化数学模型;基于模拟退火算法进行求解,得到叶片综合性能最优的铺层参数组合为铺层角度45°、±x°铺层厚度比例为58%、铺层顺序为[±x°/0°/90°/±x°]TN。结果表明优化后叶片的最大位移和Tsai-wu失效因子分别降低了2.79%和5.87%,性能得以提高,验证所提出多目标优化方法的有效性和可行性。     

基于组合代理模型的箱形梁轻量化设计

文中针对常见的3种代理模型多项式响应面（RSM）、径向基（RBF）神经网络以及Kriging模型在结构优化中的代理效果进行对比研究。以桥式起重机箱形梁轻量化为例，分析了3种代理模型在确定系数下的代理效果，并以此为依据提出了1种适用于该优化案例的组合代理模型。最终，以智能算法与梯度算法的组合算法对得到的4种代理模型寻优，并将寻优结果通过有限元模型进行验证。实际工程案例表明，基于代理模型的结构优化算法，在保证优化效果的前提下，大幅度提高了优化效率。     

基于响应面法的机载光电集成箱优化设计

机载光电集成箱在战斗机飞行过程中面临振动、冲击等恶劣工作环境。本文旨在提高光电集成箱抗振动干扰能力和结构可靠性,以减少最大变形量和提升结构一阶模态频率为目标,对光电集成箱进行多目标优化设计。根据加速度过载极端条件对原始光电集成箱三维模型进行特定载荷下的静力分析和普通约束条件下的模态分析;采用最佳空间填充设计法（OSFD）法进行实验设计,提取结构设计参数并建立样本空间,响应面模型运用Kriging法进行构建;以最小化结构变形量、提升结构第一阶模态频率作为优化目标,以结构等效应力和质量为约束条件,运用MOGA遗传算法对构建响应面模型进行了优化求解,得到响应面模型最优解,最后对模型进行参数化重构和验证。优化结果显示：经过优化后的光电集成箱,最大变形量减少了44.02%,基频提高了33.6%,质量减少了8%,有效地提升了光电集成箱的动力学性能和可靠性。     

抓取机械臂的强度分析和优化设计

以DOBOT Magician机器人机械臂为研究对象,为降低其质量,减少材料消耗,采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法对其结构的优化设计进行了研究。首先使用建模软件建立三组机器人小臂的参数化模型,将其导入Workbench中进行应力分析和弯曲刚度分析,对三组结果进行对比分析确定危险工况。然后以质量、变形和应力为目标参数对危险工况下小臂的参数进行灵敏度分析,得到对目标参数影响最大的参数,并以这些参数为设计变量,采用响应面优化方法和拓扑优化方法对小臂代理模型进行尺寸和结构优化。优化结果表明：在保障精度和强度的前提下,通过对小臂的轻量化设计,使其质量降低了32.8%,最大应力值降低了21.1%,最大变形减小了24.3%,弯曲刚度增加31.8%,成功实现了小臂的轻量化。同时,该研究也为类似的优化设计提供了一种可行的实施方案流程。     

碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计

碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等诸多优异性能,在汽车结构中得到了广泛的应用。利用Altair OptiStruct软件建立了电池壳体有限元模型,对汽车蓄电池壳体结构进行了优化设计。整个汽车蓄电池壳体优化过程包括三个阶段:概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。首先,在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块确定了铺层块的形状;然后,在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化;最后,在详细设计阶段利用铺层顺序优化模块完成了铺层顺序的优化。优化结果表明,通过优化设计能减轻电池壳体的重量,减重比高达66%,优化效果明显。     

改进响应面法在身管可靠性优化中的应用

以某速射武器的身管为研究对象,对其烧蚀寿命进行可靠性优化设计,采用改进的响应面模型作为身管烧蚀寿命代理模型。结合遗传算法和高斯牛顿法进行响应面公式参数的拟合。首先用遗传算法求出参数初值,然后高斯牛顿法从这组初值出发迭代搜索响应面模型参数的最优解,最后以得到的响应面模型作为身管烧蚀寿命优化的功能函数进行可靠性优化。该方法充分利用了遗传算法善于进行全局搜索和高斯牛顿法精确的局部寻优能力的优点。结果表明,该方法得出的响应面模型的精度较高,以响应面模型代替有限元模型进行可靠性优化更为方便快捷。     

基于响应面模型的手性超结构固有频率灵敏度分析及多目标优化

韧带型手性超结构是新型的负泊松比缓冲减震材料,四韧带手性结构是其中结构较为简单且减震效果较好的一种。但振动在衰减的过程中,材料过低的固有频率极容易产生低频共振,造成结构破坏。因此减震性能要求材料尽可能实现轻量化的同时提高其固有频率。降低质量和提高固有频率两个目标具有一定冲突,需要对四韧带手性结构进行结构参数多目标优化,获得最优的结构参数组合。通过有限元分析和中心复合试验设计方法（CCD）构建出四韧带型手性超结构关于质量和固有频率的响应面代理模型。基于响应面代理模型计算出手性超结构各重要参数的灵敏度数值,获得对固有频率和质量影响较大的结构参数。最后以高灵敏度响应的结构参数作为优化变量,固有频率和质量作为优化目标,运用优化设计方法和多目标遗传算法计算出四韧带型手性超结构参数的最优解。基于响应面模型的多目标优化设计方法为减震降噪的新材料的优化提供了设计思路和参考。     

风力机GFRP叶片弯曲变形规律

针对结构型式及铺层设置未知的GFRP叶片,通过构造变形代理模型,介绍了一种通用的叶片弯曲变形的计算方法。叶片弯曲变形函数为指数与多项式相结合的形式,只要给定叶尖挠度即可据此模型计算出叶片在整个展长上的变形分布。该代理模型可为预测变形后风力机叶片的气动载荷分布提供参考。算例结果表明：本文模型预测的变形与有限元分析给出的变形吻合较好。     

一种计算步行式底盘局部结构载荷的优化方法

为确定步行式底盘局部结构在作业时的最大受力状态,对底盘结构进行强度设计,建立底盘和局部受力结构在作业状态下包含所有位置自由度参数的力学分析模型,提出一种基于响应面法求解底盘局部结构载荷的优化分析模型。用两级优化模型对局部结构的最大受力状态进行优化：第1级优化模型用逐步二次规划法找到局部结构在给定位置参数下的最大受力状态,然后通过正交试验设计构造出局部结构界面最大受力状态与位置参数之间的响应面函数;第2级优化模型用遗传算法求解响应面函数的最大值,并通过二分法不断缩小位置参数的搜索空间,提高响应面函数的逼近水平。研究表明,该优化方法是解决复杂结构系统中多变量优化问题的有效手段,并为步行式机构设计提供理论依据。     

帽型加筋板热屈曲优化设计

针对非均匀温度场作用下的帽型加筋板热屈曲问题,采用有限元开展了临界屈曲温度场计算方法研究。在此基础上,结合自动参数化建模方法,建立了以提高受热加筋板屈曲承载能力为目标的优化流程。为了提高优化算法的搜索效率,分别建立了一阶热屈曲特征值和结构重量的代理模型,并将代理模型嵌入到优化流程中,通过代理模型对屈曲特征值和结构重量进行预测来降低优化设计中的有限元计算量,对典型帽型加筋板进行热屈曲分析及优化设计。结果表明,本文中采用的方法可行而且高效,在相关结构设计中具有较大的应用价值。     

细化Kriging模型在轻轨车轴优化设计中的应用

基于仿真试验,根据低地板轻轨车轴的结构特点和性能指标,将Kriging插值和拉丁超立方抽样试验相结合来构造车轴多目标优化的代理数学模型,并通过多目标遗传算法寻找该代理模型的最优解作为车轴参数的设计依据。为了使所构造的Kriging响应面能准确高效地代表稳健优化目标和约束函数,将Kriging模型在响应面精度检验时的样本点和多目标遗传算法所产生的最优解检验点进行更新,直到达到精度要求为止,从而保证所建立的响应面模型具有较高的全局拟合精度和最优解拟合精度。     

响应面法与遗传算法相结合的注塑工艺优化

应用田口方法进行试验设计,应用计算机辅助工程技术对注塑成形过程进行了分析,建立了注塑成形工艺参数与翘曲度关系的代理模型——响应面模型,对模型进行了验证研究,将响应面法与遗传算法相结合进行了注塑工艺参数优化。结果表明,响应面模型是准确可靠的,将响应面法和遗传算法相结合,可有效提高运算速度和优化效率。     

连续式混合机结构参数的响应面分析优化

为了对卧式连续混合机进行轻量化改进,对混合机的关键部件进行研究。基于离散单元法构建物料颗粒模型,对混合机混合过程进行模拟,利用响应面方法对混合机结构参数进行优化。以搅拌轴径、搅拌臂径和搅拌叶片长度为设计变量,以模型质量为优化目标,建立二阶响应面模型优化关键部件的结构参数。结果表明,搅拌叶片长度和搅拌臂径的交互作用相较于搅拌轴径对总体质量影响较大,同时叶片长度和搅拌臂径对变形和应力的影响灵敏度高,通过优化,在满足安全可靠的前提下结构重量减轻7%。     

基于分级优化方法的碳纤维复合材料笔记本电脑后盖轻量化设计

为解决压力作用下笔记本电脑后盖变形后对LCD屏产生破坏和后盖结构过重的问题,基于分级优化方法,建立了静压工况下笔记本电脑后盖数值计算模型.通过使用碳纤维复合材料,并联合运用铺层角度优化、自由尺寸优化、尺寸优化和铺层次序优化的分级优化方法,使笔记本电脑后盖质量由157g降至90g,笔记本后盖最大变形量由18.2mm降至6.5mm,LCD屏最大压应力由12.1MPa降至8.4MPa.     

复合材料飞机结构综合优化设计技术研究

针对复合材料前掠翼进行了综合设计优化。建立了多极混合优化设计模型。同时提出了用混合有限元模型实现系统层优化设计的方法。通过三级混合优化设计模型,初步实现了对前掠机翼结构的综合优化设计,一方面达到了提高机翼结构稳定性的目标,另一方面也对机翼层合板结构的铺层顺序实现了铺层设计。     

具有复合层结构的谐波减速器柔轮的性能优化设计研究

针对谐波减速器的柔轮存在着易发生疲劳的问题,从复合层的本构关系出发,进行了复合材料铺层角和叠层次序的力学性能研究。提出了以铺层角度和铺层顺序为优化变量,Tsai-Wu材料失效准则为约束条件,单层层内应力最小为优化目标的数学模型,采用粒子群优化算法得到了最优的铺层角和叠层顺序。对采用优化设计后的谐波减速器进行了瞬态动力学分析,分析结果表明:与原结构相比,具有复合层结构柔轮的最大Von Mises应力降低了12.5%,最大应力位置由柔轮的齿根部变为柔轮齿圈内表面,在一定程度下可提高柔轮的使用寿命。