基于遗传算法的复合材料结构-声辐射优化研究

研究了外载荷作用下的复合材料结构振动响应和声辐射问题。在此基础上, 分析了复合材料的结构-声辐射优化设计模型, 基于遗传算法进行了对称型复合材料板结构的结构-声辐射铺层几何优化分析。数值算例表明, 复合材料板结构的铺层数、 铺层厚度和铺层角度等参数优化, 可以有效降低结构的振动和声辐射。数值算例结果验证了优化方法的有效性。     

基于阻尼材料拓扑分布的结构-声辐射优化

基于拓扑优化思想,提出一种人工材料假设,建立了阻尼材料铺设的拓扑优化数学模型。在阻尼材料用量一定的情况下实现阻尼材料最优分布,达到减振降噪之目的。采用遗传算法进行求解,进行了阻尼材料和人工材料的转换,实现了阻尼材料的拓扑优化。数值算例表明:所提方法在减振降噪设计中具有可行性和有效性,有较好的工程应用价值,可为阻尼材料的敷设提供一种可行有效的思路。     

复合材料层合板结构振动声辐射优化

通过有限元法计算复合材料层合板结构的振动特性,然后采用瑞利积分进行结构的声辐射分析.在此基础上,给出考虑振动声辐射特性的复合材料层合板的优化设计模型,研究简谐激励力下的结构灵敏度计算,重点推导了声学灵敏度分析公式,并采用序列线性规划方法进行了优化求解.数值算例表明通过层合板铺层厚度和角度的优化可以有效降低结构的振动声辐射,同时验证了灵敏度算法的精度和优化方法的有效性.     

材料选型优化在结构减振中应用研究

以结构振动功率流为减振评价标准,基于金属铺层假设,以结构材料属性、材料铺层数量为设计变量,建立基于金属-复合材料的材料选型结构动力学优化模型。并以船艇钢-复合材料组合结构基座为例进行多设计变量、多约束条件的动力学优化研究。结果表明,采用功率流为目标的优化模型,结合金属-复合材料选型优化,可使船艇基座结构具有优异的抑振性能。计算结果验证了该方法的可行性与有效性。     

锥-柱组合壳体声辐射影响因素研究

在原有的简单锥-柱壳体的基础上，以肋骨、舱壁加强的锥-柱组合壳体来模拟潜艇典型尾部结构，采用有限元(FEM)和快速多极边界元(FM-BEM)方法，研究了壳体的舱壁布置形式、激振力方向、流体介质、锥壳段刚度、壳体阻尼对其声学性能的影响。在验证了原模型的干模态基础上，分别计算了各因素对新模型辐射声功率的影响，结果表明：（1）分布轴向力作用下，采用球舱壁加强的组合壳体水下辐射声功率及效率最小；（2）由于径向力更易激起壳体的周向模态，其激起的水声要强于轴向力，但轴向力的作用也不可忽视；（3）施加径向力时，壳体在水中的轴向位移小于在空气中，而法向位移大于在空气中；（4）锥壳段刚度对降噪无明显作用，而适当增加壳体阻尼可降低声辐射。本文的研究结论可为潜艇尾部声学优化设计提供参考。     

复杂结构的声辐射解耦及其声辐射效率分析

提出一种用边界元方法与声辐射理论求解复杂结构的声辐射模态与声辐射效率的理论方法。先将结构的声辐射功率表示为一个正定的厄米特二次型，运用广义特征值分解求解了复杂结构的声辐射模态，然后利用声辐射模态关于阻抗矩阵与均方速度耦合矩阵的正交性，求解了复杂结构的声辐射效率，最后用具有解析解的脉动球与辐射立方体验证了该方法的有效性。     

板壳结构加强筋仿叶脉分布声辐射优化研究

将植物叶脉脉序分布的形成机理应用到基于声辐射优化的薄板结构加强筋布局中,提出了一种加强筋仿中叶脉布局的声辐射优化算法。以结构在优化频带内应变能和应力的均值作为加强筋生长准则,设计灵敏度则反映了结构声辐射性能对设计参数变化的敏感程度。四边固支方板和矩形板的加强筋分布的声辐射优化算例证明了该方法的有效性。     

敷设声学材料的声呐平台结构振动声辐射计算分析

采用有限元/边界元方法对声呐平台结构振动声辐射进行了理论研究。首先根据声学材料不同的减振降噪机理对其进行了合理的等效处理和简化建模,然后计算了声呐平台敷设不同阻尼和吸声特性声学材料的振动与声辐射特性。研究表明:声学材料的阻尼性能可以通过复合损耗因子等效,吸声性能可以通过设置边界特性阻抗来近似实现;声呐平台结构敷设阻尼和吸声材料有利于减小平台振动和降低自噪声;声学材料的吸声系数越大越有利于降低声呐平台自噪声,这对声呐平台自噪声预报和控制提供了重要的理论指导和参考价值。     

基于遗传算法的复合材料层合板削层结构铺层优化

针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。     

基于目标传递和代理模型的水下结构振动声辐射设计优化

基于目标传递法和代理模型实现了水下结构振动声辐射的设计优化。目标传递法用于实施多级优化,Kriging代理模型用于解决水下结构振动声辐射计算量过大而无法实施设计优化的问题。以水下加肋板结构的振动声辐射为例构造了一个两级优化设计问题来验证所用方法的有效性。选取板厚,加强肋高度和加强肋宽度作为设计变量,以结构质量、共振频率、共振频率处的声功率级和共振频率间的差值作为优化目标来进行设计优化。研究结果表明Kriging代理模型可实时准确地代替耦合计算模型预报水下结构振动声辐射响应,使用目标传递法会由于目标权重和协调机制的不同而导致不同的优化结果,设计者可以根据实际需要从优化结果中选择合适方案。     

A study on the application of material selection optimization approach for structural-acoustic optimization

Issues of application of the material selection optimization approach for structural-acoustic optimization is investigated herein. By introducing the stacking sequence hypothesis of metal material, the mechanical properties parameters and plies’ numbers of the metal material or composite material are defined as design variables; the mathematical formulation about material selection optimization approach is established. Finally, a hexahedral box structure is taken as an example, and the material selection optimization is conducted. By introducing genetic algorithm (GA), the optimization problem is solved. The numerical example shows the effectiveness of the proposed stacking sequence hypothesis of metal material.     

采用混合粒子群算法实现匹配追踪算法

针对匹配追踪信号稀疏分解的巨大计算量问题,在具有全局优化能力的粒子群算法基础上,提出了一种结合BFGS(Broyden、Fletcher、Goldfarb和Shanno)方法和变异操作的混合粒子群算法实现信号匹配追踪分解。利用BFGS方法增强了算法的局部开发能力,加快了信号特征提取速度;通过变异操作控制种群多样性以避免早熟收敛,增强了算法全局探测能力,提高了信号特征提取精度。通过与单一粒子群算法和遗传算法实现仿真信号匹配追踪分解的结果进行对比,证明了使用混合粒子群算法的匹配追踪分解能够快速准确提取信号特征参数。最后,将该算法应用于某内圈损伤轴承振动信号中的冲击特征提取,结果表明该算法在工程应用中具有一定的准确性和实用性。     

基于分布式计算的复合材料机翼优化设计

将遗传算法与高精度的通用有限元分析软件相结合, 并将其应用于复合材料机翼满足气动弹性要求的优化设计中。为了提高采用遗传算法的复合材料机翼优化设计的效率, 探讨了将分布式计算与遗传算法进行集成, 形成了基于分布式计算和遗传算法的复合材料机翼优化设计方法, 并应用该方法解决某大展弦比复合材料机翼副翼和舵面操纵反效问题。计算结果表明, 该方法可用于解决工程上复杂结构优化问题。      

基于混合PSO算法的桁架动力响应优化

摘 要：本文针对以结构动力响应为约束,最小重量为目标的桁架拓扑优化问题,提出了一种将微粒群算法和优化准则法结合的混合PSO算法。利用优化准则法的迭代关系找出群体中适应度最好的微粒,将其作为特殊微粒,其他微粒的寻优采用PSO的基本进化规则,位移响应约束利用特殊微粒的灵敏度信息近似计算。算例的计算结果表明,混合PSO算法适用于受简谐荷载以及脉冲荷载作用桁架结构的拓扑优化。混合PSO的计算效率比PSO算法高,其优化效果比优化准则法好。     

Discrete material optimization of general composite shell structures

A novel method for doing material optimization of general composite laminate shell structures is presented and its capabilities are illustrated with three examples. The method is labelled Discrete Material Optimization (DMO) but uses gradient information combined with mathematical programming to solve a discrete optimization problem. The method can be used to solve the orientation problem of orthotropic materials and the material selection problem as well as problems involving both. The method relies on ideas from multiphase topology optimization to achieve a parametrization which is very general and reduces the risk of obtaining a local optimum solution for the tested configurations. The applicability of the DMO method is demonstrated for fibre angle optimization of a cantilever beam and combined fibre angle and material selection optimization of a four‐point beam bending problem and a doubly curved laminated shell. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于分级优化的复合材料带加强筋板屈曲优化

对工程中常用复合材料带加强筋板结构的优化方法进行研究。由于优化变量较多且变量类型涉及离散型和连续型两种类型,因此优化中引入了分级优化方法。在结构质量一定的前提下,确定各加强筋最优的位置、截面尺寸、铺层数及铺层顺序,以提高整体结构的抗屈曲性能。代理层的引入使优化问题可以在先不考虑铺层顺序的情况下对其余变量进行优化,通过析因实验设计方法确定剩余变量中影响结构屈曲载荷的主要变量和次要变量,并分别在第1、2级优化中独立对两类变量进行优化,在优化过程中根据变量的类型及取值范围,对部分变量建立径向基代理模型以提高优化效率。第3级优化采用遗传算法对铺层顺序进行优化。优化结果表明:优化后方案比原方案的抗屈曲能力提高了3.21倍。     

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。     

基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)能够实现声波的聚集,通过粘贴阻尼层将其聚集的能量耗散,可有效降低声学黑洞复合结构的振动和声波的传递。针对中低频段噪声,设计了声学黑洞复合隔声结构,建立了其隔声量计算模型。研究了声学黑洞复合隔声结构的黑洞数量、黏弹性阻尼层、声学黑洞半径等参数对隔声性能的影响。研究结果表明：在160~1 000 Hz频率范围内,ABH能明显增加复合隔声结构的隔声性能,其传递损失在1/3倍频程内增加了1.9 dB。文中的研究结果为复合隔声结构的设计提供了借鉴。