载人防护缓冲气囊座椅的优化设计

针对设备载人空投过程中乘员防护的问题,设计出一种对乘员人体进行防护的缓冲气囊座椅,并采用MADYMO软件建立了缓冲气囊座椅数值模型,模拟该设备载人空投着陆中缓冲气囊座椅对乘员的缓冲过程。以减少人体的颈部损伤和胸部损伤为优化目标,利用微型多目标遗传算法对缓冲气囊座椅的充气质量、排气孔面积、排气压差以及缓冲气囊护颈的充气质量进行优化。该优化设计不但可以减少气囊座椅设计实验次数从而降低实验的成本,而且在载人空投防护技术领域具有一定的实际工程意义。     

空投着陆气囊缓冲系统环境适应性研究

目的 研究在空投着陆过程中, 气囊缓冲系统的缓冲特性和环境适应性, 分析空投着陆环境变化对气囊缓冲特性的影响。方法 以热力学理论和刚体动力学为基础, 建立空投着陆气囊缓冲系统动力学模型, 以此为基础编写气囊缓冲特性计算分析软件; 针对某型主-辅囊结构气囊进行地面冲击试验,对比验证了计算模型的正确性。结果 空投着陆海拔高度为0, 3000, 4500 m时, 空投装备着地瞬间的着地速度分别为0.52, 0.96, 2.31 m/s, 随着海拔升高, 空投装备着地速度明显增大。环境温度、 大气密度和大气压力等参数对气囊缓冲特性的影响比较显著。结论 气囊缓冲系统的缓冲特性满足设计要求, 可适应海拔较高的空投环境。同一气囊系统在较高海拔环境中使用应充分评估其适用性和安全性, 避免空投装备着地速度较大而造成装备损坏。     

重装回收系统双气室气囊缓冲特性分析

为了得到气囊主要参数对缓冲特性的影响规律,利用重装的动力学方程、气体热力学基本方程和排气口流量方程建立了双气室气囊的解析模型,并采用Hyperworks对其有效性进行了验证。利用该模型对双气室气囊缓冲特性进行了研究,结果表明,初始压强、主辅气囊排气口面积以及气囊体积比对气囊缓冲特性有显著的影响。增加主气囊初始压力和气囊的体积比可以降低气囊缓冲过程中的最大冲击过载,重装触地速度有所提高;主辅气囊排气口面积过小,释能不充分,气囊将发生反弹,排气口面积过大,能量转化不够,重装触地速度较高。     

空投着陆缓冲气囊研究现状

目的总结当前着陆缓冲气囊的国内外研究现状。方法介绍不同缓冲气囊的工作原理与优缺点,总结解析与有限元2种气囊性能的计算方法与性能参数优化方法的研究现状,以及气囊技术研究的发展方向。结果分析了各类缓冲气囊与性能参数计算方法的优缺点,总结了气囊技术待解决的问题。结论提高缓冲气囊的气压主动控制技术与着陆姿态控制技术可进一步提高气囊性能。     

圆柱筒式空投气囊缓冲模拟

目的研究某空投缓冲系统圆柱筒式气囊的缓冲过程,得出缓冲特性曲线,并校核装备冲击过载。方法基于有限元理论,利用Ansys中的显示动力学分析软件LS-DYNA建立气囊缓冲系统的有限元模型,采用粒子法,对气囊缓冲过程进行数值模拟,并与传统气囊仿真所使用的控制体积法进行对比。结果经模拟得出空投着陆缓冲过程中气囊排气口打开时间为63.4 ms,缓冲过程中的最大过载为13.3g,获得了缓冲高度、货台加速度等特性的变化规律。将气囊缓冲特性与使用传统的控制体积法仿真的结果进行了对比,排气口打开时间误差为10.7%,最大过载误差为8.6%。结论 2种方法的结果对比一致性较好,验证了粒子法进行缓冲气囊模拟的可行性,同时使用圆柱筒式气囊缓冲的最大过载满足装备空投对过载不超过20g的要求。     

空降空投中的气囊缓冲包装技术

目的对目前缓冲着陆气囊的发展状况进行总结分析,对重装空投气囊着陆缓冲系统的性能进行评估。方法通过建立某重型装备气囊缓冲系统的LS-DYNA有限元模型,对该模型进行缓冲仿真计算,对着陆装备的速度历程和加速度历程进行分析。结果在重力加速度作用下,0.15 s时间内,仿真模型从4.8 m/s加速到触地速度为5.4 m/s;在气囊缓冲作用下加速度减为0时,继续加速到速度最大值,之后模型在反向加速度作用下急剧减速后产生反向速度,经过几次波动后最终速度基本为0,即着陆成功。结论仿真模型的速度和加速度的变化情况等都满足气囊安全着陆应有的规律,体现了仿真的可行性。     

考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性研究

对缓冲气囊模型进行合理简化,从能量守恒和热力学基本方程出发,计入气囊织布弹性势能的影响,建立了缓冲气囊的物理解析分析模型,同时采用LS-DYNA对其有效性进行了验证。并基于该模型,进行了水平圆柱式气囊缓冲特性的研究。研究结果表明对于带固定排气口的水平圆柱式气囊,忽略织布弹性,得到的最大冲击过载值要比弹性织布气囊低,若织布的弹性模量小于0.2 GPa时,织布弹性对缓冲性能的影响更加突出。初始充气压力以及排气口面积对此类气囊缓冲特性同样有显著的影响。增加初始充气压力可以降低气囊缓冲过程中的最大冲击过载,但是有效载荷触地速度有所提高。排气口面积过小,释能不充分,气囊将发生反弹,排气口面积过大,能量转化不够,有效载荷触地速度较高。     

重型装备空投用连通型气囊缓冲特性仿真

目的为了探究连通型气囊在重型装备空投缓冲时的着陆缓冲特性,对其进行有限元建模及仿真研究。方法采用均压多腔室流动气囊模型理论建立装备-气囊系统有限元模型,通过显式非线性有限元方法模拟求解其跌落缓冲过程,并进行连通孔大小对缓冲特性的影响分析。结果随着连通孔面积的增大,各气室之间的内压差距变小,最大偏差从13.2%逐渐变小至0,加速度峰值从7.130g逐渐变小直至6.925g,但是总体上加速度峰值变化不大。采用连通型气囊能够实现与非连通气囊基本相同的缓冲特性,对于重心偏前的装备而言,为了避免装备俯仰过度,连通孔的大小不宜设置过大。结论该研究可为重型装备空投用连通型气囊的设计、改进提供理论基础和技术手段。     

软着陆气囊缓冲特性与参数设置的理论研究

摘 要 本文将软着陆气囊的缓冲过程分解为绝热压缩和排气释能两个过程,从热力学和刚体动力学的基本方程出发,建立了软着陆缓冲过程的理论分析模型,并给出了缓冲响应的数值计算方法。针对立式软着陆气囊的参数设置和缓冲响应估计问题,给出了固定排气口型气囊和可控排气口型气囊相关参数的设计方法,同时以一个无人机模型的软着陆回收为例进行了缓冲响应仿真。基于简化模型及缓冲过程状态参数-时间特性曲线,分析研究了未设置排气口、固定型排气口与可控型排气口气囊的缓冲特性及其应用优劣,为工程与研究人员提供了气囊尺寸估算、缓冲系统性能预测、排气口面积选择与主动控制律设计的理论依据,研究结果具有明确的工程参考价值。     

基于疲劳寿命的旋翼气动弹性多目标优化研究

基于Hamilton原理基础上推导了旋翼桨叶有限元动力学模型和疲劳寿命计算模型。以动力学特性的固有频率,自转惯量为约束,以剖面特性参数的挥、摆、扭刚度及桨叶线性密度为设计变量,进行最小质量及最大疲劳寿命的多目标优化。采用满足溢出分析的优化算法（Satisficing Trade-off Analysis）。结果在满足各约束条件下,实现旋翼桨叶质量减少7.27％,疲劳寿命循环次数由3.98 108次到4.73 108次,寿命提高了18.7%,优化效果明显。     

Multi-objective optimization of suspension parameters for rail vehicles based on a virtual prototype surrogate model

This research is intended to develop a suspension parameter optimization approach based on a virtual prototype surrogate model of rail vehicles considering the coupling effects of suspension parameters. In order to analyze the effects on the dynamic indexes, which were affected by the suspension parameters, a virtual prototype model of a rail vehicle was established. The indexes of lateral ride quality and motion stability were obtained under different combinations of suspension parameters by design of experiment and simulation of virtual prototype. For constructing objective function of multi-objective optimization model for suspension parameters, the suspension parameters that have significant effects on ride quality and motion stability simultaneously were taken as the design variables, and thereafter Kriging models of lateral ride quality index, derailment coefficient, and reduction ratio of wheel load were obtained. On this basis, the multi-objective optimization model of suspension parameters was established, in which the objective function was combined with the three Kriging models. Then, the Pareto optimal solution set and concrete value of suspension parameters were sought using the NSGA-II algorithm. The dynamic simulation results indicated that both ride quality and motion stability of the rail vehicle had been improved after the multi-objective optimization of suspension parameters.     

Mooring system design optimization using a surrogate assisted multi-objective genetic algorithm

This article presents a novel framework for the multi-objective optimization of offshore renewable energy mooring systems using a random forest based surrogate model coupled to a genetic algorithm. This framework is demonstrated for the optimization of the mooring system for a floating offshore wind turbine highlighting how this approach can aid in the strategic design decision making for real-world problems faced by the offshore renewable energy sector. This framework utilizes validated numerical models of the mooring system to train a surrogate model, which leads to a computationally efficient optimization routine, allowing the search space to be more thoroughly searched. Minimizing both the cost and cumulative fatigue damage of the mooring system, this framework presents a range of optimal solutions characterizing how design changes impact the trade-off between these two competing objectives.     

基于多场耦合方法的厚截面复合材料固化过程的多目标优化

针对厚截面复合材料固化过程温度峰值过大所引起的材料力学性能降低及残余应力过大等问题,建立了基于多场耦合方法的复合材料固化过程多目标优化模型,用以降低固化温度峰值和缩短固化时间.首先建立包含热化学子模型、树脂黏度子模型和流动压实子模型的固化温度多场耦合模型,用以准确描述固化过程复合材料内部温度及构件厚度的演化规律.通过与...     

连续体结构裂纹识别的Kriging代理模型求解策略

本文提出了一种基于代理模型的裂纹识别方法,利用初始样本构造Kriging代理模型,建立裂纹模型参数与结构响应的关系,来代替结构的原有的结构参数与动力响应关系,最大程度地减少了反演优化迭代过程中反复网格剖分和冗繁的有限元计算次数。使用最优设计加点准则进行代理模型修正,以改进初始代理模型的准确性。为了识别连续体结构上的裂纹模型参数,采用随机粒子群优化方法搜索代理模型多极值域下的全局最优解。数值算例对具有裂纹的悬臂梁和板结构进行了裂纹识别。结果表明,该方法能有效地识别裂纹参数,并且具有良好的抗噪性能。此外,初始样本数量对裂纹识别效率及识别结果的影响也进行了讨论。     

一种自适应抽样的代理模型构建及其在复材结构优化中的应用

提出了基于一种自适应抽样和增强径向基插值的自适应代理模型方法,这种自适应抽样方法以确定适量的样本点数量和提高代理模型自适应能力为目的,使新增样本点位于设计空间的稀疏区域并确保所有的样本点均匀分布于设计空间以提高代理模型精度。标准误差用来判断代理模型的精度大小并决定是否对代理模型进行更新。一种条件随机抽样被用来对比本文的自适应抽样方法。经过对比验证发现,采用自适应抽样方法的代理模型精度比条件随机抽样方法的代理模型精度高。这种自适应代理模型结合多岛遗传算法被用来优化旋翼臂的碳纤维增强环氧树脂复合材料铺层角度使得旋翼臂的一阶模态频率最大。优化结果表明,不同的碳纤维增强环氧树脂复合材料铺层角度对旋翼臂的一阶模态频率值影响较大,优化结果获取了最优铺层角度,旋翼臂的一阶模态频率值被提高以远离激励频率而避免旋翼飞机的共振。     

基于小偏置碰的乘员二次碰撞分析及约束系统仿真优化

研究64 km/h小偏置碰的乘员动态响应及约束系统参数影响.通过建立50 km/h全正碰与64 km/h小偏置碰的约束系统模型,比对两种工况中的乘员二次碰撞运动姿态与损伤特点.仿真结果表明小偏置碰中乘员上躯干相对车体产生较大的横向加速度,导致头部和颈部等部位损伤加剧.基于上述损伤特点,导入侧气帘模块并分析其对乘员损伤的...     

基于热阻网络模型的硅基微槽热沉多目标优化设计

微槽热沉具有传热效率高、可靠性强的优点,可用于对微尺度高热流密度电子元件进行冷却。为满足其性能需求和控制成本,在对微槽热沉进行设计时需要对其传热能力和流动阻力同时进行优化。传统研究采用的热阻网络模型较为简单,不能很好地反映热阻和流动阻力对微槽道截面形状拓扑变化的响应,且其优化对象通常为既定截面的形状尺寸。为此提出一种基于离散化方法的单层硅基微槽热沉热阻网络模型,将热沉鳍片细分为厚度较小的微元,根据微元热阻对微元宽度的响应及微元热阻对整体热阻的贡献来描述微槽道的整体热阻。以微泵输出功率为优化边界条件,压降和热阻为优化目标,通过SQP（sequential quadratic programming,序列二次规划）方法对层流状态下四边形等截面硅基微槽热沉进行尺寸优化,利用CFD（computational fluid dynamics,计算流体动力学）对优化结果进行模拟和验证。结果表明,当鳍片高度较低时,鳍片截面形状为矩形,随着鳍高增加,截面形状有向三角形发展的趋势。在设计区间内,微槽道截面为梯形、鳍片截面为三角形时传热效率与压降相对占优。用边界点法和理想点法优化模型求得微槽道高度、鳍底宽、槽底宽、槽顶宽的优化结果分别为500,50,64.5,114.5 μm和500,50,50,100 μm。该方法能根据设计需求调整评价函数,同时计算结果具有重要工程意义,为微槽热沉设计人员提供参考。     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

基于代理模型的指数型功能梯度板固有频率优化

针对指数型功能梯度板的固有频率优化问题,提出一种基于代理模型的优化方法。采用一种基于自然邻近插值的无网格数值方法——自然单元法,建立功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式。选取样本点,用自然单元法计算相应固有频率,然后基于此建立梯度指数-频率代理模型,采用Nelder-Mead单纯形法优化梯度指数使板的固有频率达到预设值。通过算例验证算法的计算效率和精度。结果表明,基于分段三次Hermite插值构造的代理模型具有较高的精度;基于代理模型的优化结果避免了多次调用自然单元法计算频率,提高了计算效率。