面向机身颤振模型结构设计的拓扑优化方法

飞机颤振模型的结构设计是一个以固有频率为目标且具结构相似要求的反求问题.为了实现设计兼具结构和弹性特征相似的机身比例模型的目的,提出基于拓扑优化技术的机身颤振模型结构设计方法.该方法采用含规则几何形状的有限元集合描述机身骨架的结构特点,引入独立于有限单元网格的"节"作为结构修改的基本单位,构建与原机结构相似的格栅骨架加蒙皮有限单元模型,并将拓扑优化中的相邻敏度分配法与双向渐进结构法相结合,实现了以频率为目标、以体积为约束的拓扑优化.经过某圆筒机身的颤振模型优化算例证明,该方法有效地保证了优化后模型与原模型的结构相似性,并且达到了给定的固有频率,为飞机颤振模型设计提供了有益的借鉴方法.     

结构疲劳寿命稳健性优化设计

由于材料特性、构件的几何特性、载荷历程和环境条件等随机因素的影响,造成结构的疲劳寿命往往偏离结构的设计寿命.为了减少疲劳寿命的分散性,建立一种结构疲劳寿命稳健性优化模型.该模型将结构优化设计理论和随机有限元法相结合,在考虑设计变量和其他随机变量的变异性对结构疲劳寿命影响情况下,将结构疲劳寿命稳健性优化问题构造成包含结构疲劳寿命均值和标准差的双目标优化问题,并通过权因子来平衡结构疲劳寿命的均值和标准差关系,在约束函数中将结构疲劳寿命控制在最低寿命和最高寿命之间.经疲劳稳健性优化设计后的结构疲劳寿命在其均值处波动较小,而且分布曲线远离疲劳寿命底限.最后通过承受脉冲载荷的平面10杆桁架结构疲劳寿命稳健性优化算例显示了此方法的有效性.     

基于显式函数的位移约束板结构拓扑优化方法

显式函数优化模型被认为可以极大地提高计算效率,显式近似是结构优化建模的追求目标.在应变能灵敏度分析和渐进结构优化方法(evolutionary structural optimization,ESO)的基础上,提出板结构位移约束下的显式函数拓扑优化方法.在优化过程中,首先将单元修改引起的位移变化转变为结构应变能灵敏度....     

基于非概率可靠性的连续体结构拓扑优化设计

研究区间参数的连续体结构在区间载荷作用下的拓扑优化设计问题.构建区间载荷作用下区间参数连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元区间应力非概率可靠性为约束条件.基于区间因子法,导出应力响应的均值和离差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)的求解策略与方法.通过两个算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和方法的有效性.     

基于模态振型形状优化的结构声辐射控制

针对复杂结构形状难以参数化的问题,建立基于有限元网格的参数化形状优化模型,提出一种基于模态振型的结构形状优化方法以控制结构声辐射功率。该方法通过有限元法计算结构的振动特性,然后采用瑞利积分进行结构的声辐射分析,在此基础上,用一组模态振型绝对值线性组合定义修改区域的形状优化函数,以每阶模态振型贡献因子为设计变量,通过改变模态振型贡献因子来优化结构的形状,达到降低结构声辐射功率的目的。研究简谐激励力下的结构声辐射优化,以结构声辐射分析频率带内的辐射声功率均值为设计目标,结构有限元结构坐标的最大变动值及模态频率为设计约束,利用序列二次规划算法进行优化求解。以几何平板和复杂曲面为数值算例,研究结果表明该方法可以有效控制结构声辐射。     

基于Kriging模型和小波包能量谱的随机模型修正

针对随机模型修正精度和效率低的问题,提出一种基于Kriging模型和小波包能量谱的随机有限元模型修正方法。首先,假设模型待修正参数和响应特征均服从正态分布,将不确定性的模型修正转化为均值和标准差的修正;其次,将待修正参数作为Kriging模型输入,加速度频响函数经过小波包分解后提取的结点能量作为输出,引入政治优化算法优化相关系数以构造Kriging模型;然后,将最小化试验响应与预测响应之差的绝对值作为修正均值的目标函数,最小化交叉熵作为修正标准差的目标函数,通过政治优化算法先后修正参数均值和标准差;最后,以空间桁架结构为例,选取弹性模量和密度为待修正参数验证该方法的可行性。结果表明,所提方法能够有效地修正结构参数均值和标准差,修正后的参数均值、标准差的误差分别低于0.1%、3.5%。     

基于区间可能度的区间参数桁架结构多目标拓扑优化

研究区间参数桁架结构在应力和频率约束下的多目标拓扑优化问题,即构建区间参数桁架结构的多目标拓扑优化模型,以各杆截面面积和拓扑逻辑变量为设计变量,结构总质量和结构最大位移上限最小为目标函数,满足单元区间应力可能度、区间频率可能度为约束条件.利用泰勒展开和函数的区间扩张导出应力、位移和频率响应的区间包,采用基于个体排序的Pareto 遗传算法求解其有约束多目标优化问题.两个数值算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和有效性.     

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。     

基于应力约束的多相材料结构拓扑优化设计

传统的固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)难以准确描述多相材料结构应力约束拓扑优化问题,鉴于此,提出一种基于可分离应力插值模型的多相材料结构应力约束拓扑优化设计方法.利用可分离应力插值模型计算多相材料结构的刚度和应力,以结构的体积最小化作为目标函数,采用改进的P范数求解各相材料结构的最大应力,以各相材料结构的最大应力作为约束,建立多相材料的结构全局应力约束拓扑优化模型,利用设计变量过滤技术避免数值不稳定性现象,采用移动渐近线优化算法求解多相材料结构应力约束拓扑优化问题.数值算例结果表明,采用多相材料结构全局应力约束拓扑优化获得的结构更加合理,能够有效地避免应力集中现象.     

高速转向架轴箱转臂结构拓扑优化设计

采用变密度方法,建立了以结构的总柔度为目标函数,体积为约束的拓扑优化模型.利用有限元软件hyperworks中的拓扑优化工具对列车转向架轴箱转臂结构初始设计方案进行了减重设计.结果表明,基于拓扑优化技术可以得到既经济又安全的结构方案.