基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

考虑载荷不确定性的多材料结构稳健拓扑优化

传统的拓扑优化设计通常基于单材料与确定性条件,往往难以兼顾结构性能的稳健性。针对实际工程中载荷不确定性问题,研究多材料结构稳健拓扑优化设计方法。基于有序各向同性微结构材料惩罚模型法(Ordered-Solid Isotropic Microstructures with Penalization, Ordered-SIMP),进行多材料插值模型表征。构建载荷概率分布条件下结构柔度均值与标准差的加权目标函数,辅以体积约束。针对载荷满足随机场分布时,采用Karhunen-Loève展开将载荷随机场变换为有限个不相关的载荷随机变量加权和,并借助稀疏网格数值积分方法,将多材料结构稳健拓扑优化转化为求解一组多工况加权多目标确定性拓扑优化设计问题。通过数值算例验证所提方法的有效性与优化结果的稳健性。结果表明:针对不同材料组合方案,均能有效获得良好的多材料拓扑构型;与确定性设计相比较,稳健设计具有不同的材料布局方案,且结构性能更加稳定。     

基于等效静态载荷法的汽车前端结构抗撞性尺寸和形貌优化

为了减少在低速正碰下汽车的维修成本以及实现汽车前端结构的轻量化。采用等效静态载荷方法对汽车前端结构的尺寸和形状进行了抗撞性优化设计,以整个结构质量最小为优化的目标函数,以前部结构主要部件的厚度尺寸以及节点坐标形貌为设计变量,以侵入量以及加强筋的冲压工艺要求为约束进行了碰撞优化设计。等效静态载荷法将非线性瞬态碰撞优化问题转化为多工况线性静态优化问题,数值算例证明等效静态载荷法可高效地求解碰撞优化问题,并得到高精度的最优解。     

基于模态试验与优化的静动力学模型转换

在结构强度分析中,将刚度分布较为准确的静力学模型转换为动力学模型可以大大提高建模效率。提出了一种基于模态试验和优化算法的静、动力学模型转换方法。在调整静力学模型的刚度矩阵基础上,再按照质量、质心、惯矩、单元体积进行节点质量的预分配,最后根据模态试验识别出的模态参数优化节点质量的修正量,如此便可得到其动力学模型。以某飞机翼身组合结构模型的转换为例,证明了该方法的实用性。     

基于应变模态参数的结构瞬态载荷识别方法研究

该研究主要针对结构受到的瞬态载荷的识别问题,提出了基于应变响应和应变模态参数的载荷识别方法。假设时间步长内载荷不变,利用Duhamel积分导出了基于位移响应的载荷识别模型,提出了相应的正则化方法;给出了利用位移模态振型和应变模态振型将应变响应转换为位移响应的转换关系式,从而实现基于应变响应的瞬态载荷识别。该方法避免了应变到位移的空间积分过程,并通过正则化方法,保证转换过程的鲁棒性;通过海洋卫星的仿真实验算例对所述方法进行验证,并分析解决了单点激励时识别结果失真的问题。同时通过自由梁实验锤击实验对所述方法实际效果进行论证。结果表明,所提出的识别方法对瞬态载荷具有很好的识别效果,所推导的应变-位移转换关系具有较好的精度和鲁棒性。     

基于等效辐射声功率和形貌优化的车身结构噪声控制

以某车型白车身为研究对象,首先建立白车身结构有限元模型并验证其有效性;随后通过对模型进行等效辐射声功率分析,得到白车身关键板件对车内的辐射噪声水平,并识别贡献量较大的结构位置;再根据分析结果构建白车身形貌优化模型并进行计算求解;最后将优化前后白车身等效辐射声功率进行对比,优化后辐射噪声在分析频段内整体降低,且最大响应峰值降低3.8 d B。研究结果表明,在汽车白车身设计阶段,基于等效辐射声功率分析和形貌优化设计可以有效地抑制结构的辐射噪声。该方法和思路可为工程领域相关的结构噪声分析和控制提供参考。     

浅析基于模态的白车身结构优化

目前试验模态分析技术已经成为解决振动噪声以及疲劳强度等实际问题的一项最重、应用最广泛的技术手段。通过模态试验识别出的汽车白车身的结构动力学特性对于乘坐舒适性和结构可靠性起着决定性的作用,是汽车新产品开发中结构分析的主内容。在模态分析的基础上,结合实际,基于理论分析前提,对白车身结构优化切入点进行探讨,对当前我国车企在车身结构动态特性领域的探索,本课题的研究可以提供一定的参考。     

基于交叉过滤的刚架结构拓扑优化

针对目前离散体拓扑优化在大型刚架结构中的广泛应用以及此类方法对制造工艺的忽视,该文给出了交叉准确的数学描述,提出了交叉因子的概念,通过Heavisid函数建立了由截面积设计变量到交叉因子的连续函数。依此在优化模型中加入交叉过滤约束,利用基结构法建立了拓扑优化模型。最后将该方法应用到天线辐射梁的设计中,结果显示该方法能有效地消除不需要的单元交叉。     

基于HyperMesh的立式加工中心结构拓扑优化

应用CAD/CAE系统建立XH786A立式加工中心的整机模型,并进行动态分析.找出机床薄弱环节,利用优化软件HyperMesh对薄弱环节进行优化设计,得到优化结果和优化前相比较,表明拓扑优化结果具有理论指导意义,为后续详细的设计提供理论依据.     

基于遗传算法和拓扑优化的结构多孔洞损伤识别

鉴于拓扑优化和遗传算法在结构损伤识别中各自的优点,本文将遗传算法、有限元和拓扑优化三种方法相结合,提出了一种用于二维结构多损伤识别的新方法。这种方法将拓扑优化的设计变量和遗传算法的参数统一化,将拓扑优化中的目标函数和约束方程与遗传算法的适应度函数联系起来,并以拓扑优化的约束方程作为控制条件参与整个遗传运算的控制。采用二进制编码遗传算法代替连续变量拓扑优化的方式对发生孔洞损伤形式的二维结构进行损伤识别,避免了利用连续变量拓扑优化进行损伤识别时参数阈值的确定可能给识别结果带来的不良影响。通过对两个二维结构模型的多损伤识别仿真计算,结果显示本方法能够很好地识别二维结构中多个位置的损伤,对于仅用拓扑优化法很难识别的轻微孔洞损伤情况,该方法也能得出与实际情况吻合良好的结果。     

载荷谱直线段的等效载荷

本文分析计算了双对数坐标下载荷谱线段等效载荷。等效载荷依赖于于这段载荷谱及疲劳寿命曲线的斜率。对于比疲劳寿命曲线更陡的某段载荷谱，等效载荷偏向最大的谱载荷。在这种情况下，最大应力部分对损伤产生较大的影响。误差研究表明，在损伤计算中用阶梯函数代替连续的载荷谱所产生的偏离或误差具有疲劳寿命曲线方程的指数形式。     

基于渐进结构优化的取料梁腹板拓扑优化

为了实现圆形堆取料机取料梁的轻量化设计,采用渐进结构优化方法(ESO)研究取料梁腹板的拓扑优化问题.在有限元软件ANSYS平台上利用其APDL语言进行二次开发实现了基于应力水平的渐进结构优化法,并结合使用灵敏度再分配技术控制棋盘格式,使各单元对结构性能的贡献或影响实现平滑过渡.最后获得了较清晰的取料梁腹板拓扑优化构形,为实现取料梁下一步设计及优化提供参考模型.     

基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构

提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法,通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型,将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应,进而重构出待测位置的剩余模态响应,待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到,通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究,将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率,此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明：该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量,并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足,无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。     

基于等效载荷的故障诊断方法与现状

基于等效载荷的故障诊断方法将传统的基于信号分析的故障诊断方法与研究对象的线性动力学模型有机结合起来,根据监测的动力学响应,计算出实际的等效载荷(剩余位移),然后在故障空间中搜寻对应的最佳理论等效载荷(剩余位移),最终实现准确快速地诊断出设备的故障,为故障诊断领域提供一种新的思路。本文介绍了基于等效载荷的故障诊断方法的发展历史和优点,时域和频域方法的基本原理和诊断流程,在此基础上,分别从故障等效载荷模型、剩余响应的计算方法、故障判别的优化方法、故障判别精度指标、动力学建模精度较低的解决方法以及信号初处理等当前研究的问题进行了详细总结和概括,并对当前国内涉及该方法的研究成果进行了综述。通过分析当前的现状,给出基于等效载荷的故障诊断方法的未来发展方向。     

基于广义模态截断扩增方法的结构频响拓扑变量灵敏度分析

基于结构拓扑优化设计中的变密度法,采用伴随法推导结构在简谐激励下的频响振幅对单元设计变量的解析灵敏度列式。针对灵敏度数值求解中传统模态位移法引发的低精度问题,通过引入计算成本较低的广义模态截断扩增方法提升灵敏度的计算精度。数值算例将该文方法与全局有限差分法和其他灵敏度计算方法进行了比较。结果证明了该文方法在不同的激励频率及有限元网格密度下高效求解高精度灵敏度的有效性。     

复合材料网格结构模态分析的均匀化等效建模

复合材料网格结构由于内部结构复杂 , 在有限元分析中难以建立实际模型 , 需要对结构采用均匀化方法进行弹性常数等效。本文中根据结构的最小势能原理和有限元法基本思想 , 对结构的弹性力学基本方程进行了推导 , 使用有限单元法中的位移场 , 根据应变能相等的原则 , 得出了求解等效弹性矩阵的一种比较通用的方法 ;根据动能相等的原则 , 得出了等效质量的求解公式。采用有限元方法 , 对胞元进行了拉伸和剪切载荷下的细观力学分析 , 将分析结果代入到推导的公式 , 求出了复合材料网格结构的等效特性参数 ; 使用求得的等效模型对结构进行了宏观仿真 , 并与实际模型仿真结果进行对比。研究结果表明 , 该等效方法具有较好的精度 , 能够满足工程的需要 , 可用于各类大型结构的分析。      

等效爆炸载荷下FRP船体结构的性能比较

水下爆炸对船体的作用一是直接压力,另一个是使船体产生加速度,而且,不仅仅是船体产生加速度,其附加质量(也称附连水质量)也产生相应的加速度,即:爆炸要同时改变船体和附加质量的动量和动能。水下爆炸作用下结构物的相应研究极其复杂,计算量极大。该文以复合材料船体结构形式选型为目的,根据能量原理、动量原理和达朗贝尔原理,将爆炸载荷等效为静载。研究5种船体构造形式对此等效静载的响应,据此选择船体结构形式。5种船体型线相同,结构形式分别为单板横向加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹层式结构,在船体所受外载相同,船体重量相等的条件下,通过有限元法,分析等效水下爆炸载荷下船体的响应与性能。根据船体的应力与变形分析,对其强度、刚度、剖面模数及综合性能进行比较,为结构选型提供数值分析依据。挑选出既符合结构性能,又能满足使用要求的结构形式。     

基于拓扑优化的结构加强筋布局降噪方法研究

基于变密度拓扑优化方法,提出了通过优化加强筋布局来降低谐振结构辐射声功率的策略。优化中将加强筋单元的伪密度作为设计变量,约束为加强筋质量上限,所用寻优算法为移动渐近线(MMA)系列算法中的MMA-GC-MMA混合算法。对结构的振动响应使用有限元方法求解,对声辐射使用边界元方法求解,并在此基础上分析了目标函数对设计变量的灵敏度。以加筋箱体为例进行优化,验证了所提方法在降噪设计中的可行性和有效性,并对结果进行了讨论。     

声学高温计拓扑结构优化研究

声学高温计存在探头温度耐受不够,测温稳定性较差,易受气流速度影响的问题。为了提高声学高温计的测温可靠性,本文提出在Virtual. Lab中建立相应的气流温度场和声传播模型,改变现有的一套声学高温计的声探头分布直径、朝向和倾斜角度等拓扑结构,分析并研究减小声压级衰减的最佳拓扑结构参数,并进行试验对比。最终发现在常温至900℃、0～0.3 Ma的气流温度场环境中,直径15 cm,声探头与水平面倾角为30°的拓扑结构综合声压级减小数值最小;直径20 cm,声探头与水平面倾角为15°的拓扑结构次之。二者均比现有的拓扑结构数据标准差减小17%以上,提高了声源信号接收的性能,进而提高声学高温计在常温至900℃、0～0.3 Ma的气流温度场环境中测温的可靠性。     

多约束的桥梁结构拓扑优化

基于ESO (Evolutionary Structural Optimization)的拓扑优化方法,本文提出了一种适应于桥梁结构的拓扑优化方法。引进了两种性能指标公式来确定最佳拓扑设计。另外,为了更有效地尝试改进最终设计的细节,而又不进行更精细有限元网格的完整分析,这里提出了一种精细网络设计方案。再者,结合细啃技术,完成了考虑应力、位移、频率约束的斜拉桥优化设计。通过几种桥梁的设计优化,表明该方法的可应用性、简洁性和有效性。