卫星载荷安装平台结构轻量优化与仿真分析

结构轻量化是目前航天器设计的发展趋势.以国内某高精度成像卫星有效载荷安装平台为对象,为了降低卫星平台的质量,同时满足其在复杂外热流环境下的热变形要求,分别采用拓扑优化与铺层优化两种方法对卫星安装平台进行轻量优化设计.在整星有限元热变形分析基础上,以载荷安装平台的质量最轻为目标,对结构进行优化设计,并对整星进行模态分析以验证设计方案的可靠性.两种优化方法均满足结构热变形设计要求,相比拓扑优化方法,铺层优化方法可以大幅降低安装平台质量,并且可行性高.     

电推卫星方圆过渡结构轻量化设计

讨论在考虑强度约束和动力学约束的情况下,全电推进卫星的方圆主承力过渡结构的轻量化设计.利用三维拓扑优化技术对方圆过渡结构进行优化设计,确定方圆过渡结构的传力路径,并据此进行创新构型设计.对创新构型进行强度及动力学分析,验证其在强度性能、动力学性能上的优越性.     

基于闭塞区间的高速列车运行时间与节能协同优化方法

提出了一种高速列车运行时间与节能协同优化方法.针对由动态调度层、优化控制层、跟踪控制层组成的列车运行控制与动态调度一体化结构,设计了面向动态调度层和优化控制层的列车运行时间调整策略和节能速度位置曲线.基于高速铁路闭塞区间,建立了列车区间模型和列车速度曲线节能优化模型.利用模型预测控制方法对列车区间运行时间进行调整,优化列车总延误时间;根据调整后的区间运行时间设计列车运行优化速度位置曲线,减少列车运行能耗.仿真算例验证了设计的运行时间与节能协同优化策略的有效性.     

基于遗传算法的高速列车头型多目标优化

高速列车的气动阻力与列车的外形,特别是头部外形有着密切的关系.为了改善列车气动性能降低列车运行的气动阻力,建立高速列车的三维参数化模型,以高速列车头部所受的阻力和升力为优化目标,通过FLUENT软件与Isight软件多学科优化联合仿真分析方法,利用Sculptor软件对车头部分网格自动变形,基于计算流体力学,实现对高速列车流线型头型进行减阻的多目标自动优化设计.优化完成后,得到影响优化目标阻力和升力的关键设计变量,并对优化设计变量和优化目标之间的非线性相关性进行分析.通过对比原始流线型列车气动性能发现,列车头部的长度对阻力的影响比较大,列车头部的高度能够对列车所受到的升力产生较大的影响.     

空间桁架结构优化设计

为获得空间桁架结构的合理构型,以某空间设备支撑结构为例,分析结构材料在设计空间的分布形式和桁架结构的传力路径。在已知载荷约束和设计空间大小的条件下,基于连续体拓扑优化方法,以静态多工况刚度和动态固有频率为多目标函数进行优化分析。依据设计要求确定计算模型的结点数和结点位置,获得满足要求的空间桁架结构并进行优化设计。优化结果比原模型质量减少36.7%,一阶模态提高3.6%。     

基于Ordered-RAMP模型的热固耦合结构多材料拓扑优化方法

针对传统单材料热固耦合拓扑优化设计难以实现结构材料与性能综合最优的问题,提出一种基于变密度理论有序材料属性有理近似模型的多材料拓扑优化方法.该方法通过搭建比例系数与平移系数,将多种材料属性采用[0,1]连续分布的单设计变量进行描述,并研究和比较与有序固体各向同行惩罚微结构模型的优缺点;其次借助归一化加权方法定义以结构柔度最小化和散热弱度最小化为目标函数的数学模型.结合设计变量敏度分析,详细推导多材料、多目标条件下热固耦合结构拓扑优化的迭代公式.通过数值算例分析对比了不同权系数以及不同材料属性组合对优化结果的影响;结果表明,所提出的优化方法在热固耦合结构多材料多目标拓扑优化设计中具有可行性和有效性.     

基于MGASA的城市轨道交通列车节能优化控制研究

针对当前列车节能优化控制研究中对匀速状态考虑不足的情况,对包括匀速状态的列车运行状态组合及其能耗算法进行了研究.通过对列车运行过程作动力学分析,在深入研究列车能耗计算的基础上,基于MAT-LAB数值计算优势,设计了列车能耗计算的仿真程序.以确保列车运行准时为原则,提出考虑匀速状态的列车控制策略,以区间限速以及列车工况转换为约束进行建模,并采用改进的遗传退火算法(MGASA)对模型求解.从优化结果可知,与以往优化策略相比,在列车运行时分压缩5.66％的情形下,列车能耗仅增加了1.89％.结果分析表明,其优化效果较好,包括匀速状态的列车运行状态组合具有较强的实用价值,可为司机驾驶以及ATO系统设计提供理论指导.     

柔性变形机翼后缘拓扑优化设计

为了实现机翼表面的自适应变形和结构轻量化,将柔件机构引入到机翼后缘形状变化结构设计中.应用连续体拓扑优化技术,以实际位移与目标位移之间的偏差为目标函数,材料用量为约束,建立SIMP(solid isotropic material with penalization)密度刚度插值模型.采用Matlab编程对柔性机构进行了优化设计,并对不同参数下的优化结果进行了讨论,最后进行机构的仿真分析.研究结果显示该柔性机构能够实现预期的形状变化,证明了方法的正确性,为柔性机翼设计提供理论基础.     

侧碰传感器安装点频率响应优化分析

系统介绍频率响应分析方法的基本理论,并通过MSC Nastran对侧碰传感器安装点进行频率响应分析,在初始设计结构不能满足要求的情况下,通过结构优化提高侧碰传感器局部安装点的模态频率,满足设计要求.该优化对结构动态特性的改进有重要指导意义.     

基于通信量权值二分图分配算法的列车通信网络研究

针对列车通信网络的网络性能直接受到网络拓扑结构的影响,提出一种基于设备间的通信量权值的二分图分配算法,解决网络拓扑中设备到交换机的分配问题。首先,根据列车通信网络中各设备间的实际通信情况,建立列车交换式以太网模型,得出设备间的通信量权值;然后,利用通信量权值的二分图分配算法完成设备到交换机的分配,构建新的交换式列车网络拓扑结构。通过OPNET建模仿真对该结构的网络性能进行分析,结果表明,优化后的列车通信网络拓扑结构比未优化的拓扑结构,在网络时延、链路利用率和吞吐量等网络性方面能均有很大的提升,可为列车通信网络拓扑结构优化研究提供理论参考。     

基于拓扑优化的四旋翼无人机结构设计

为实现某四旋翼无人机的轻量化结构设计,采用Inspire进行拓扑优化设计,并对获得的拓扑优化结构进行静力分析和动力学分析。分析结果表明,通过拓扑优化方法获得的无人机结构应力分布合理,结构位移小且频率较高,满足静态和动态结构设计要求。研究结果可为实现低成本、轻量化的四旋翼无人机结构设计提供一条新的途径。     

翻转机构驱动力的优化及Adams仿真验证

在某航天器装配平台中,需要设计一个翻转机构实现部件与总体结构的对接工作,其中,外舱板翻转机构的驱动系统设计是重要内容之一.从外舱板翻转系统中外舱板翻转机构驱动力的设计出发,通过对特定负载的分析和理论分析,得到驱动力的大小以及驱动系统安装的最优位置.采用Adams的优化分析功能,以驱动系统安装位置为设计变量,以外舱板翻转机构在翻转过程中所需的最大驱动力中的最小值为目标函数,进行驱动系统的最优化仿真分析.应用Adams对优化设计结果进行仿真分析验证,得到最优结果.     

Design optimization of stiffened storage tank for spacecraft

Stiffened storage tank is an important structural component in spacecraft. Its structural weight is one of the key criterions in the design phase. This paper focuses on the design optimization of the structure by using finite element method, structural sensitivity analysis techniques, and sequential linear/quadratic programming aimed to reduce the structural weight. Design variables include the numbers of stiffeners, stiffeners’ section dimensions, and shell thickness distribution. Detailed finite element modeling processes are presented, which are the ways to construct the stiffener (beam orientation and offset) and shell elements and the ways to determine the analysis model and structural boundary conditions. A brief introduction to sensitivity analysis and optimization solution algorithm is also given. Main attention is paid to the studies of design optimization of the tank structure, including the selection of design cases, evaluation, and comparison of the optimal results. There are six design cases considered in the design procedures. Numerical results show that by using the above computational techniques, the structural weight is effectively reduced. In this work, MSC.Patran/Nastran is employed to construct the Finite Element Model (FEM), and JIFEX, which is developed in our group, is used to conduct the structural design optimization. JIFEX is a structural analysis and optimization software package developed by Gu and colleagues in the Dalian University of Technology Department of Engineering Mechanics. Among its many functions is the ability to analyze and optimize piezoelectric smart structures.     

Control–structural design optimization for vibration of piezoelectric intelligent truss structures

Based on the design sensitivity analysis for structural dynamics in time domain, an integrated control–structural design optimization method is proposed to the vibration control of piezoelectric intelligent truss structure. In this investigation, the objective function and constraint functions include not only the conventional design indexes of structure but also the vibration control indexes and the feedback control variables. The structural design variables are optimized simultaneously with the vibration control system. The sensitivity relations for the control–structure optimization model are derived by using a new method, and the sequential linear programming algorithm is used to solve this kind of optimization problem. The numerical examples given in the paper demonstrate the effectiveness of methods and the program.     

艏部舷墙的优化设计

根据通用规范设计艏部舷墙的结构型式和构件尺寸,使用有限元分析软件进行屈服和屈曲强度校核.根据初步校核结果,调整构件尺寸,优化舷墙结构设计,最后结合其它约束条件,得到舷墙最佳设计方案.优化过程体现有限元分析在船体结构优化设计中的重要作用,也为舷墙及其他结构提供优化设计思路.     

主动关节履带式蛇形救援机器人结构参数多目标优化设计

针对机器人化救援装备研制的难点,对具备肌肉注射功能的蛇形机器人结构参数进行了优化,进而解决了废墟非结构环境对机器人执行任务的约束问题。首先,在分析机器人废墟环境运动机理基础上,建立机器人运动性能与结构参数的函数模型。然后,利用基于非支配排序的NSGA-II和基于分解的MOEA-D多目标遗传算法2种方式对模型分别进行求解。通过对比2种方式,证明了NSGA-II算法在求解上更有效,最终确定机器人样机的最优结构设计参数。最后,根据优化结果研制了实验用的蛇形机器人样机。实验结果显示机器人的最大台阶翻越高度为0.18m,相对误差为0%;最大沟壑跨越宽度为0.4m,相对误差2.3%;直线构形最小转向阻力矩为14.320N·m,相对误差11.2%。验证了基于NSGA-II算法的结构参数多目标优化设计方法的有效性。     

基于ANSYS Workbench的T形结构优化设计

针对T形结构传统设计周期长、材料利用率低、设计成本高等问题,使用SolidWorks建立数字模型,将其转换成ANSYS Workbench可读的格式文件,进行拓扑优化设计。对T形结构在载荷作用下进行最优化设计,建立以单元材料密度为设计变量,以结构最小柔顺度为目标函数,以质量减少百分比为约束函数的数学模型。采用ANSYS Workbench的Topology Optimization模块进行拓扑优化设计,对比优化前、后结构的应力和变形,可知运用拓扑优化技术实现T形结构的轻量化设计合理有效。     

Optimal cross-section and configuration design of elastic-plastic structures subject to dynamic cyclic loading

This paper shows an optimal design problem with continuum variational formulation, applied to nonlinear elasticplastic structures subject to dynamic loading. The total Lagrangian procedure is used to describe the response of the structure. The direct differentiation method is used to obtain the sensitivities of the structural response that are needed to solve the optimization problem. Since unloading and reloading of the structure are allowed, the structural response is path-dependent and an additional step is needed to integrate the constitutive equations. It can be shown, consequently, that design sensitivity analysis is also path-dependent. A finite element method with implicit time integration is used to discretize the state and sensitivity equations.A mathematical programming approach is used for the optimization process. Numerical applications are performed on a 3-D truss structure, where cross-sectional areas and nodal point coordinates are treated as design variables. Optimal designs have been obtained and compared by using two different strategies: a twolevel strategy where the levels are defined according to the type of design variables, cross sectional areas or node coordinates, and optimizing simultaneously with respect to both types of design variables. Comparisons have also been made between optimal designs obtained by considering or not considering the inertial term of the structural equilibrium.