基于轻量化与强度的短纤维复合材料蜂窝三明治板结构多目标优化设计

蜂窝三明治板在结构轻量化中得到了广泛应用,采用具有良好材料性能的短纤维复合材料替换铝蜂窝,能进一步满足轻量化需求.为了短纤维复合材料更好地应用,针对增大蜂窝三明治板抗拉强度要求,提出了一种增大面板与蜂窝粘接面积的结构设计方案.在有限元软件ABAQUS中建立了考虑损伤退化的短纤维复合材料蜂窝三明治板有限元计算模型,验证了设计方案的可行性.为了兼顾力学性能和减重要求,采用基于代理模型和多岛遗传算法的优化方法对蜂窝结构参数进行了多目标优化.分析结果表明,所建立的精细化有限元模型能够模拟三明治板的性能突降行为,基于代理模型高效准确的优化流程,优化后三明治板的面密度相比于优化前降低了30％,强度满足要求.     

复合材料起落架舱门结构优化设计

基于有限元软件ANSYS建立复合材料起落架舱门参数化有限元模型,基于三明治夹芯板理论将蜂窝芯层等效为均质的厚度不变的层板,以蜂窝夹芯高度与复合材料面板各铺层厚度为设计变量,以铺层板、蜂窝夹芯的强度,结构稳定性以及结构刚度为约束函数,以结构质量最轻为目标函数,基于ANSYS优化模块首先选择零阶法进行优化得到粗略解,其次选择一阶梯度优化法进一步对夹层结构进行优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、蒙皮各铺层厚度.     

基于等效理论的多夹心层蜂窝板模态分析

研究蜂窝板的三明治等效理论,应用该等效理论对蜂窝板夹芯进行等效计算得其等效参数,建立多夹心层蜂窝板的有限元模型,完成不同算例在不同边界条件下的模态分析,解决了通用有限元程序如NASTRAN等不能直接计算蜂窝板的动、静力学性能问题.将计算结果与解析解对比,说明等效方法是合理的,适用于多夹心层蜂窝板结构的有限元分析.     

混合灰色关联和有限元法的铝合金三明治板轻量化设计

汽车轻量化设计是实现节能减排的重要途径,为设计出性能优良的铝合金三明治货车防滑踏板,针对不同芯层结构的铝合金三明治板展开研究;建立了I型、V型、U型三种芯层结构的铝合金三明治板结构模型;应用有限元法对实际工况下I型、V型、U型三种芯层结构的铝合金板的应力、位移值进行分析,并基于灰色关联法建立以质量、最大挠度、最大应力为变量的综合性能评价函数,得出V型铝合金三明治板为优选结构;以上、下板以及芯层厚度为优化变量,质量最小化为优化目标,分别采用全局响应面法及可行方向法对V型铝合金板进行尺寸优化,并对优化结果进行对比分析,发现两种方法优化方式均有较好的优化结果,但基于可行方向法的迭代时间更短、效率更高,优化后铝合金板减重约29.5%,具有很好的应用价值。     

复合材料铺层角度对蜂窝板动态性能的影响

为了提高卫星探测器蜂窝板的动态性能,将蜂窝板中的蒙皮和支撑结构采用复合材料设计。对蒙皮和支撑结构设计了六种复合材料铺层方案,并与常用的铝材结构进行分析对比,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,通过对复合材料件及蜂窝板整体结构的动态性能分析,研究铺层角度对蒙皮、支撑结构及整体蜂窝板刚度的影响,确定了最佳方案,满足航天飞行器基频设计要求。研究工作为蜂窝板的结构优化设计提供了理论依据,对同类航空结构的设计也有很好的借鉴作用。     

蜂窝机翼结构计算与优化设计

首先采用三明治夹心板等效理论建立了全高度蜂窝结构的等效模型,通过仿真计算提取出关注区域,将关注区域依据真实模型进行有限元建模,然后采用子模型分析技术进行细节分析,将仿真结果与试验结果进行对比,验证该分析方法的有效性和准确性。利用提出的分析方法对全高度蜂窝机翼结构进行仿真分析,讨论了全高度蜂窝结构各几何参数与单位质量失稳破坏载荷的关系,结果显示单位质量承载失稳载荷随着上、下板厚和壁厚增大呈现递增趋势,而随蜂窝胞单元边长增大呈递减趋势,且在一定范围内变化较小。最后采用多目标参数方法对蜂窝机翼结构进行了优化分析,结果表明蜂窝胞单元三个几何参数分别处于特定范围内时单位质量承受失稳载荷处于较大值。     

轻量化蜂窝3D打印路径自适应生成技术

为了解决当前模型轻量化的力学性能问题,根据材料和压应力分析生成参数可控的蜂窝状路径轨迹,提出一种轻量化蜂窝3D打印路径的自适应生成技术。通过对蜂窝路径的参数优化设计,建立了基于材料最少的优化模型和自适应压应力轨迹优化模型;基于蜂窝结构在承载下的力学性能分析,实现了对非均布载荷下轻量化蜂窝轨迹的自适应生成。实验分析表明,该方法能生成参数可控的自适应蜂窝路径轨迹结构,并可实现轻量化结构的力学性能优化,为提高局部承载性能轻量化结构的直接打印生成提供了新的思路。     

基于长短期记忆网络的桁架车身结构轻量化设计优化

为满足特种无人车辆高可靠机动、低成本研制等要求，在特种无人车辆的桁架车身结构设计早期阶段引入结构轻量化思想。为实现车身结构轻量化，提出基于长短期记忆网络的设计优化方法(LSTM-DO),利用LSTM-DO的快速搜索、高精度优化能力解决车身结构设计优化中收敛慢、局部最优等问题。建立了某无人车辆桁架车身参数化模型与有限元分析模型，采用代理模型技术提高设计优化过程中车身结构性能评估速度，结合LSTM-DO优化方法快速准确地生成方案。对比了常用的梯度优化算法与启发式优化算法，所提LSTM-DO方法在最优方案性能、收敛速度和鲁棒性方面均展现出明显的优势。     

基于响应面法的挖掘机三油缸结构动臂轻量化设计

考虑到三油缸结构动臂的结构特殊性,以及传统经验方法在结构设计上的保守性因素,提出了基于响应面法的变厚度轻量化设计方法,并搭建了基于多学科优化软件Isight、有限元软件Nastran以及利用Python语言二次开发的集成优化环境。基于板壳理论与测试数据建立了三油缸结构动臂危险工况的有限元参数化模型,并以其主要板厚尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度及重量为模型响应,结合最优拉丁超立方设计法对初始变量进行了灵敏度分析,使用筛选后的设计变量拟合响应面模型(RSM);以结构强度和刚度为约束条件,动臂质量最小为目标函数,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明,在保证结构性能的前提下,该方法轻量化设计后的动臂减重14.7%,优化效率较有限元模型提高84%左右,优化效果显著且大幅度缩短了设计周期。     

基于耐撞性的汽车多腔结构吸能盒轻量化设计

为了在保证耐撞性的前提下实现汽车吸能盒的轻量化,通过有限元碰撞仿真对比确定了符合要求的吸能盒结构,并采用基于近似模型的优化方法获得了性能最优的多腔结构吸能盒设计方案.首先建立了多种截面形状吸能盒的有限元模型,使用有限元软件进行了碰撞仿真分析.通过对单腔结构吸能盒与不同截面的多腔结构吸能盒的碰撞性能进行评价与决策,确定了符合要求的吸能盒截面形状.其次对此截面吸能盒的内外壁厚进行试验设计,拟合了碰撞性能参数的响应面模型,建立了以吸能盒内外壁厚作为设计变量,以比吸能最大作为目标函数的数学优化模型,并进行了优化设计.结果表明,采用该方法得到的最优方案能够在保证碰撞安全性的基础上实现多腔结构吸能盒的轻量化设计.