轮状结构馈源支撑系统

本文应用经典的轮状结构设计思想，首次为ＦＡＳＴ设计了一种能够应用于大跨度，大面积的有效的支撑结构。     

FAST一次支撑系统的结构研究

 介绍了中国天文学家提出的FAST(five hundred meter aperture spherical radio telescope)计划,对FAST索支撑轻型指向跟踪系统的关键技术之一——一次支撑系统的机械结构进行了方案论证,从可靠性、响应速度等方面对自驱动和他驱动两种驱动类型进行了比较.对自驱动方式的几种方案从运动性能和驱动性能等方面比较了各自的优缺点,最后得出了具有可行性的方案.     

FAST望远镜外环曲梁的结构方案优化分析

FAST望远镜的AB转轴机构相当于具有两个水平正交轴的万向节,用于调整馈源舱内设备的指向角。其外环(A环)曲梁跨度大,承载重,且要求轻质和高刚度。基于弯扭耦合的曲梁理论建立了A环结构的基本微分方程,给出了结构变形挠度与结构参数之间的关系。以结构总重量作为结构优化总目标,以不同倾角下曲梁跨中最大扰度及最大扰度差作为主要约束条件,应用信赖域法对实腹式箱梁和桁架式梁两种结构方案进行了优化计算,并对两种结构方案进行了比较。初步的优化结果表明桁架式梁结构方案具有更轻的结构重量。     

基于有限元分析的瓦楞机支撑侧板结构优化设计

目的研究瓦楞机支撑侧板在复杂应力作用下的动态特性。方法通过Pro/E建立瓦楞机支撑侧板模型,运用有限元分析方法对侧板原结构和优化后的结构进行模态分析,并将前后模态分析结果进行对比。结果得出了侧板原结构和优化后的结构的前5阶固有频率和模态振型图,分析结果显示侧板原结构产生了扭转振动、摆动和弯曲变形,优化后的侧板结构变形减小,刚度增加,固有频率提高约25%,质量减轻约83 kg。结论侧板结构优化是比较合理可靠的,可以为结构优化设计提供一定的参考依据。     

海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

研究了海上风电三脚架支撑结构的随机性优化分析。与陆上风电相比,海上风电支撑结构成本较大,而支撑结构受到复杂载荷作用,且其海上维修、安装费用较大,在设计中必须要考虑支撑结构在海洋环境下的安全可靠性。因此采用了随机性动力优化设计的方法一方面降低了成本,另一方面充分考虑了海上风电工作过程中由于随机性因素引起的安全性问题。首先考虑了风、浪、流及地震载荷作用,对海上风电支撑结构进行了整体动力分析,确定结构随机性优化的响应约束条件。然后通过实验设计的方法简化设计变量,通过代理模型的方法构造变量与响应之间的数学模型。最后在代理模型基础上采用全局优化算法对海上风电支撑结构进行随机性优化。优化后的三脚架支撑结构在满足强度与刚度设计要求下即节省了一定的成本又提高了结构的可靠性。研究算例表明,所提出的海上风电支撑结构的随机性动力优化分析研究具有可行性。     

大口径望远镜主镜支撑优化分析

大口径望远镜主镜的面形精度是影响望远镜成像质量的关键因素之一.光电系统中主镜轴向支撑点位置,对面形精度起着非常重要的作用,主镜支撑点位置合理与否,在一定程度上影响着光学系统的成像质量.本文对大口径望远镜主镜的轴向支撑和径向支撑技术进行了详细地研究,利用有限元软件ANSYS建立了主镜的参数化模型,对不同口径主镜的轴向支撑点数目和位置进行了优化,从而给出了最佳支撑点的位置.优化分析结果表明了,主镜的面形精度满足系统的精度要求,并且轴向支撑对镜面的面形影响较大.     

长条型非球面反射镜轻量化及支撑结构优化研究

针对轻型光学空间遥感器的长条型非球面反射镜,首先进行了轻量化研究,然后针对支撑结构的初步设计方案,采用有限元法进行了静力学分析和计算,以对镜面面型精度的影响为评价指标,进行了有效的多次迭代优化,最终确定了满足要求的支撑结构方案。     

复合材料支撑机翼撑杆位置与结构综合优化设计

针对复合材料支撑机翼,发展了一种撑杆位置和结构综合优化设计的方法。在两种严重设计载荷状态下,考虑气动弹性效应和复合材料铺层结构的不确定性,以结构质量最小化为目标,以翼尖垂直变形、翼尖扭角、撑杆屈曲稳定性、颤振速度和强度要求为约束,在一个优化过程中实现了撑杆位置和结构参数的同步优化设计和鲁棒优化设计。结果表明,翼尖垂直变形和颤振速度要求对于撑杆位置影响明显,最优的撑杆展向位置都靠近翼根一侧,同时撑杆的总体稳定性成为同步优化设计的关键约束。鲁棒优化设计得到的撑杆位置和结构参数的最优组合对铺层结构的不确定性摄动具有良好的抗干扰性,鲁棒优化得到的最优撑杆位置会随着设计变量摄动范围而变化,翼尖垂直变形成为鲁棒优化设计的关键约束。     

基于索力优化的FAST柔索牵引并联机构的静力学分析

FAST望远镜的馈源支撑是一个跨度巨大的柔索牵引并联机构,其中可承载用于收集射电波信号的馈源接收机的馈源舱由六根并联的支撑钢索悬挂于空中,并随着6索的协调收/放可在空中大范围缓慢运动。由于支撑钢索的截面尺寸较大,在机构平衡状态下其自重不能忽略。其中一部分钢索还需要悬挂入舱的动力电缆和通讯光缆,因此馈源舱运动范围、馈源舱姿态、各索的张力和索的几何构形均存在着复杂的耦合关系。该文建立了支撑钢索和馈源舱的静力平衡方程,通过引入各索张力均衡分配的优化原则,对舱静力平衡方程进行了优化求解,并获得了各索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化计算结果。从各索张力的优化计算结果可推导出各索张力的最大值、最小值和变化趋势。基于馈源舱姿态角的优化计算结果,并结合馈源接收机在焦点位置所必须达到的姿态角控制要求,估算了舱内的AB转轴机构所需要的最小姿态角补偿范围。该文最后分析了支撑塔高度和馈源舱的重心位置对于索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化分布计算结果的影响。分析结果表明最大索张力对于支撑塔高度较为敏感且成反比,而舱姿态角对馈源舱的重心位置较为敏感。这两项重要参数均应在未来FAST的设计中进行优化。     

建筑工程结构优化设计对成本控制的影响

对于建筑工程而言,建筑结构的成本在整个工程中占有不小的比例。通过结构设计优化技术选择合理的建筑结构设计方案,可以有效的控制建筑工程的成本,实现可观的经济效益。     

巨型射电望远镜索网结构的优化分析与设计

500m口径射电望远镜(FAST)主要以短程线索网作为反射面支承结构。该文通过对三种短程线分型的索网进行对比分析,建议五轴对称分型方法作为优先选择索网分型方案。同时,该文的优化设计工作进一步减少了主索网与圈梁连接节点的种类及数量,并使索网能满足馈源仓检修升级功能。在此基础上,针对现有两种反射面单元自重情况,优化了索网截面和内力水平,讨论了下拉索节点位置精度对索网变位精度的影响,量化了索网变位过程中主索节点的侧偏量。     

SHAPE DESIGN SENSITIVITY ANALYSIS AND OPTIMIZATION FOR STRUCTURAL DURABILITY

In this paper, a design sensitivity analysis (DSA) method for fatigue life of 3-D solid structural components of mechanical systems with respect to shape design parameters is presented. The DSA method uses dynamic stress DSA obtained using an analytical approach to predict dynamic stress increment due to design changes; computes fatigue life of the component, including crack initiation and crack propagation, using the predicted dynamic stress; and uses the difference of the new life and the original life at the same critical point to approximate the sensitivity of fatigue life. A tracked vehicle roadarm is presented in this paper to demonstrate accuracy and efficiency of the DSA method. Also, this method is applied to support design optimization of the tracked vehicle roadarm considering crack initiation lives as design constraints. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑作动器联接方式的结构形状控制优化

以压电材料梁式作动器控制复合材料层合板形状的设计问题为对象,研究有限个独立控制参数条件下的形状最优控制问题。研究了作动器与信号发生器(独立控制参数)联接关系的参数化描述方式,建立了作动器联接方式与控制参数协同设计的问题提法;针对优化问题中离散变量(联接方式描述参数)和连续变量(控制参数)共存的特点,建立了遗传算法和线性最小二乘(Linear Least Square,LLS)方法相结合的求解策略和方法;在响应分析所采用的有限元模型中,采用粘结层单元描述本体结构与作动器之间的连接。复合材料层合板形状控制设计的实例,验证了该文中建立的问题提法、优化模型和求解策略的有效性。     

结构动力鲁棒优化设计方法综述

如何提高结构动力学性能的鲁棒性,以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念,从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例,从结构的动力响应要求出发,采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明,基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案,在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后,对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。     

基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计

首先,提出了一种在结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路。在此基础上,结合ESO方法和应力灵敏度,建立了结构有限单元增、删的准则, 给出了一种新的拓扑优化算法。算例表明该方法能采用固定有限元网格中不同的初始优化结构就可获得优化拓扑。由于其概念上的简洁性和应用上的有效性,该方法具有一定的工程应用价值。     

COMPARATIVE EVALUATION OF DIFFERENT OPTIMIZATION ALGORITHMS FOR STRUCTURAL DESIGN APPLICATIONS

Non-linear programming algorithms play an important role in structural design optimization. Fortunately, several algorithms with computer codes are available. At NASA Lewis Research Centre, a project was initiated to assess the performance of eight different optimizers through the development of a computer code CometBoards. This paper summarizes the conclusions of that research. CometBoards was employed to solve sets of small, medium and large structural problems, using the eight different optimizers on a Cray-YMP8E/8128 computer. The reliability and efficiency of the optimizers were determined from the performance of these problems. For small problems, the performance of most of the optimizers could be considered adequate. For large problems, however, three optimizers (two sequential quadratic programming routines, DNCONG of IMSL and SQP of IDESIGN, along with Sequential Unconstrained Minimizations Technique SUMT) outperformed others. At optimum, most optimizers captured an identical number of active displacement and frequency constraints but the number of active stress constraints differed among the optimizers. This discrepancy can be attributed to singularity conditions in the optimization and the alleviation of this discrepancy can improve the efficiency of optimizers.     

OPTIMAL STRUCTURAL DESIGN BY ANT COLONY OPTIMIZATION

Ant colony optimization (ACO) is a relatively new heuristic combinatorial optimization algorithm in which the search process is a stochastic procedure that incorporates positive feedback of accumulated information. The positive feedback (;i.e., autocatalysis) facility is a feature of ACO which gives an emergent search procedure such that the (common) problem of algorithm termination at local optima may be avoided and search for a global optimum is possible.

The ACO algorithm is motivated by analogy with natural phenomena, in particular, the ability of a colony of ants to ‘optimize’ their collective endeavours. In this paper the biological background for ACO is explained and its computational implementation is presented in a structural design context. The particular implementation of ACO makes use of a tabu search (TS) local improvement phase to give a computationally enhanced algorithm (ACOTS).

In this paper ACOTS is applied to the optimal structural design, in terms of weight minimization, of a 25-bar space truss. The design variables are the cross-sectional areas of the bars, which take discrete values. Numerical investigation of the 25-bar space truss gave the best (i.e., lowest to-date) minimum weight value. This example provides evidence that ACOTS is a useful and technically viable optimization technique for discrete-variable optimal structural design.     

EXPLOITING DESIGN LENGTH SCALES IN STRUCTURAL OPTIMIZATION

Many structural optimization methods use geometric length scales as well as artificially imposed lengths such as finite element dimensions. One considers functions defined over these dimensions in characterizing and solving the problem. The natural length scales involved in the proposed design change are generally overlooked. When one proposes an optimization based on change of certain panels in a sheet metal structure, for instance, it might be helpful to use the dimensions of the redesign areas as characteristic lengths. In the present study, a Rayleigh–Ritz approach is taken where the responses of a structure to pseudo-loads (acting only over specified design-change regions) are employed as basis vectors. It is found that convergence of the optimization process is improved. The method is demonstrated for moderate-sized problems, and as with other modal methods, should become even more helpful for large problems. The new complexity involved is the requirement for a type of problem-dependent linking, in parallel with the conventional design variable linking. This can be automated. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

一种新型RF MEMS开关的设计

本文给出了一种新型RFMEMS开关的设计,采用膜桥结构,在打折梁的下面带有移动的介质膜,由静电驱动打折梁,这样的结构具有开关响应时间短、能耗低和易集成等特点.利用Intellisuite软件,重点研究了不同形式打折梁、不同膜厚等主要结构参数对器件性能的影响,给出了相应的优化措施和解决方案.