基于子结构的宏微结构协同优化方法

利用子结构自由度的缩减实现结构宏微观的一体化设计,需要预先建立不同子结构构型的样本。宏观结构优化时只能在预定的微观构型中插值,限制了结构宏微观的优化空间。结合子结构自由度缩减与反求理论,针对周期性结构的设计提出了结构的宏微观协同设计方法。利用固体各向同性材料惩罚(SIMP)方法和子结构方法,构建了基于子结构的周期性结构宏微观协同设计框架;分析了宏观结构与微观周期性单胞的材料体积变化关联关系,并给出了两个尺度上的惩罚因子、变量过滤半径等优化参数的匹配。在此基础上,结合传统的结构柔度最小优化模型,计算了设计变量在宏观结构、微观周期性结构的灵敏度值,实现了宏微结构的协同设计。通过悬臂梁结构的设计,验证了所提方法的有效性。     

基于均匀设计和NN-GA的CAD模型多目标直接优化方法

提出了一种基于试验数据的多目标直接优化方法,该方法采用均匀设计原理安排试验方案,利用三维CAD模型的参数化驱动特点,完成虚拟试验过程和数据获取,以试验数据为训练样本,建立了CAD模型参数与目标之间的非线性映射关系的神经网络模型,运用Pareto遗传进化算法和小生境技术对CAD模型进行多目标参数优化,可在指定区域内找出CAD模型的Pareto最优解集。     

性能驱动的转向架构架结构设计方法

传统的轨道车辆转向架构架结构设计方法采用基于实例的"经验设计-性能验证"的反复迭代设计模式,耗时长,难以获得同时满足多个互斥性能指标的最优解。提出一种性能驱动的构架结构设计方法,通过输入构架的多个性能指标,直接获得一组优化的构架结构设计参数,避免了对设计经验的过度依赖和反复迭代。首先基于专家知识获得构架结构的设计空间,采用拉丁超立方抽样方法生成设计样本,并利用有限元仿真数据构建构架性能指标计算的Kriging代理模型,再采用强度帕累托进化算法(SPEA2)建立构架性能指标-结构参数映射模型。然后基于该模型输入构架的性能指标集,便可获得多组可行的构架结构设计参数,再应用集合理论对可行解进行优选,即可获得一组满足所有性能指标要求的优化解。最后,以某型转向架构架为实例,验证了该方法的可行性。该方法为构架的结构设计提供了一种新的解决思路,也可推广应用于相关领域产品的结构设计。     

大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。     

超精密机床多尺度设计方法和仿真研究

提出了超精密机床多尺度设计方法,建立了包含机械结构、控制系统、电磁驱动在内的集成模型.采用仿真方法计算了气浮导轨气腔微结构在一定气体压力下内部气流场压强和速度分布数据,并代入集成模型中分析了微结构对宏观机床动力性能的影响.用实例证明了超精密加工机床的结构设计与分析综合考虑机构系统在宏观、介观和微观尺度下多尺度、多层次特征,对设计超精密加工机床的必要性.     

具有极限弹性性能的多相材料微结构拓扑优化设计

传统材料结构设计以单材料结构为主,可以得到具有特殊性能的微观结构。而多相材料结构能够充分发挥各相材料的优良性能,成为结构设计领域的研究热点。为了实现多相材料周期性微结构拓扑优化设计,以结构的等效弹性性能为优化目标,以材料体积和力学性能为约束条件,结合能量均匀化方法,建立了基于有序SIMP插值法的多材料拓扑优化数学模型,通过优化算法对其进行求解,得到了边界清晰的多相材料微结构拓扑构型。然后通过数值算例对得到的结构进行对比分析,验证了该模型的正确性与该方法的有效性。     

基于设计结构矩阵变更的设计过程动态规划

在分析传统设计结构矩阵的基础上,将设计结构矩阵扩展为动态设计结构矩阵和静态设计结构矩阵,动态设计结构矩阵连接了设计过程,静态设计结构矩阵用于设计过程的规划,通过映射来实现两者的连接.设计活动改变时,变更动态设计结构矩阵并映射到静态设计结构矩阵,对静态设计结构矩阵进行重构得到设计活动优化的执行序列并实现其动态规划.以某天文望远镜的关键部件设计过程为例,说明了该方法的可行性和实用性.     

RYJ—Ⅱ型聚合物微结构热压成形设备研制

大连理工大学微系统研究中心开发了用于聚合物微结构制作的RYJ-Ⅱ型热压设备,该型设备温度、压力的控制范围大,适用于绝大多数聚合物材料微结构的制作。RYJ-Ⅱ型设备主体采用封闭的四立柱结构,通过双电机分别驱动螺旋升降机实现运动与加压。在机械结构的设计上采取了措施,保证了上、下热压头热压表面之间平行。提供了可供扩展的密封腔体,能够起到隔热作用并便于实现真空。本文主要对其结构设计进行了研究,具体介绍了该设备结构设计的特点。     

基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

为提高夹具设计过程中的设计知识重用率和设计效率,提出一种基于本体和知识组件的夹具结构智能设计方法。该方法通过构建夹具元件、工件以及夹具设计实例的本体模型,实现了对夹具设计知识的表示。通过引入知识组件技术并建立本体间的语义映射关系,构建针对夹具选择、尺寸驱动和建模装配的三种知识组件及知识处理框架,形成夹具结构智能设计模式,完成了对夹具结构设计知识的组织、推送和嵌入。结合基于规则和实例的推理方法,实现了对夹具的智能选择,通过开发相应的夹具结构设计系统,实现了基于本体参数化属性的夹具尺寸自驱动和基于本体装配特征的夹具元件快速组装。以某飞机零件为例,对所提方法的可行性和有效性进行了验证。     

基于拓扑优化的非均匀蜂窝结构设计与建模

蜂窝填充是实现结构轻量化的重要手段。针对均匀蜂窝结构未考虑最优传力结构布局的缺点,提出了一种基于拓扑优化的非均匀蜂窝结构建模方法。对受力结构进行拓扑优化,将优化密度结果映射为蜂窝胞元的相对密度分布矩阵,通过用户自定义特征以及参考基准的循环定义提高建模的自动化程度,实现非均匀蜂窝结构的快速建模。仿真结果表明,非均匀蜂窝结构力学性能更优,验证了该方法的有效性。     

RYJ-Ⅱ型聚合物微结构热压成形设备研制

大连理工大学微系统研究中心开发了用于聚合物微结构制作的RYJ-Ⅱ型热压设备,该型设备温度、压力的控制范围大,适用于绝大多数聚合物材料微结构的制作.RYJ-Ⅱ型设备主体采用封闭的四立柱结构,通过双电机分别驱动螺旋升降机实现运动与加压.在机械结构的设计上采取了措施,保证了上、下热压头热压表面之间平行.提供了可供扩展的密封腔体,能够起到隔热作用并便于实现真空.本文主要对其结构设计进行了研究,具体介绍了该设备结构设计的特点.     

考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计

三明治阻尼复合结构的力学性能取决于阻尼层材料的性能,综合考虑该结构的阻尼性能和可制造性要求,提出了一种面向结构宏观性能并考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法。以最大化结构模态阻尼比为目标,考虑微结构刚度相材料的连接性,通过组合强制性连接约束法和非线性扩散法,构建了连接性约束下的阻尼复合材料微结构的优化设计模型,并结合3D打印技术实现了三明治阻尼复合结构的制造。运用所提方法对典型结构进行优化设计,得到了刚度相保持连接的阻尼复合结构,且优化后的结构阻尼变大,结构的频率响应变小,实现了三明治阻尼复合结构材料结构设计制造协同优化设计。仿真和实验结果表明,在微结构上存在最优的阻尼材料体积分数使优化后的三明治结构频率响应最小。     

基于工作流的产品装配工艺生成及信息集成技术研究

为了将装配过程中庞大的数据流进行有效的组织和管理,提出一种新型的基于流程的装配工艺生成技术。该方法主要包括装配工艺流程图的生成与优化,装配资源与产品结构树的集成,工艺报表的生成与输出。该方法通过引入工作流技术,对装配资源进行有效管理,实现了装配数据的非结构化输入和结构化输出,实现了流程驱动的装配工艺设计及装配工艺数据的高度集成。     

基于滤波/映射边界描述的壳-填充结构多尺度拓扑优化方法

提出一种基于滤波/映射边界描述的壳-填充结构拓扑优化方法,用以实现壳-填充结构宏观拓扑构型和填充区域材料微观分布协同优化.该方法针对宏观单元密度引入两步Helmholtz滤波映射和空间梯度范数归一化,用以描述壳层区域和填充区域几何特征;基于惩罚的固体各向同性材料方法设计微观结构,基于均匀化理论分别获得壳层实体区域和填充孔隙区域等效弹性矩阵,在此基础上发展出融合壳-填充几何特征信息的材料插值模型;基于所提出的材料插值模型,建立以最小应变能为目标,双体积比约束下的多尺度拓扑优化模型并进行求解;以悬臂梁和MBB梁为算例,开展有壳/无壳设计、载荷工况、微结构体积分数和微结构的初始设计等不同因素对最终设计的影响,分析结果验证所发展算法的有效性.     

渐变折射率人工电磁介质设计与3D打印制造

提出一种以物理性能驱动的人工电磁介质宏/微结构一体化设计与制造方法;以超材料尺度的光子晶体结构为研究对象,建立超材料单胞结构特征参数与等效介电常数及折射率之间的映射关系,实现渐变折射率人工电磁介质的可控设计;在理论计算的基础上,采用基于渐变折射率超材料结构设计了"地毯式隐形罩"、"电磁黑洞"等器件;以光固化3D打印技术为制造手段,光敏树脂为基体材料,实现具有复杂结构的三维电磁器件,并对其性能进行研究;结果表明,所设计器件在Ku波段(12~18 GHz)具有宽频性能,且能够在自由空间实现电磁波的可控传播。研究验证了利用3D打印技术进行人工电磁介质器件制造的可行性,为其进一步推广应用奠定了基础。     

基于能量均匀化的高剪切强度周期性点阵结构拓扑优化

传统多孔结构构型型式单一、缺乏科学设计方法的指导,为了从拓扑构型角度设计抗剪切性能更优的周期性点阵结构,基于拓扑优化技术,以周期性单胞为研究对象,以其切变模量最大为目标,以结构的材料用量和力学控制方程为约束条件,利用能量均匀化方法建立基于宏观力学性能的细观点阵结构的优化模型,通过改进的优化算法求解模型,得到了一种宏观上的拓扑边界清晰的周期性点阵结构。然后根据优化结果,在考虑胞元非等壁厚和横向剪切变形影响条件下进行等效材料力学性能分析,得到剪切性能关于微结构胞元几何参数的表征,同时加工制造了优化得到的周期性点阵结构,并进行了剪切力学性能测试。从理论分析和性能试验两个方面与六边形蜂窝结构相应的切变模量进行对比,结果表明,经优化得到的周期性点阵结构切变模量有大幅提升、抗剪切性能更优越。验证了所提出方法能有效地应用于周期性点阵结构抗剪切性能的优化设计。     

基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化设计

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。     

橡胶履带轮驱动齿应力建模分析及仿真验证

橡胶履带轮一般依靠橡胶履带的驱动齿和驱动轮的驱动销啮合传递动力,当驱动齿受到过大载荷或载荷冲击时容易受到破坏,因此,针对驱动齿应力分布进行了数学建模和计算分析。首先,根据橡胶履带轮结构参数和传动原理建立驱动齿齿形方程,应用改进Powell算法确定映射参数,结果表明,采用该方法得到的映射齿形映射精度为0. 12%,有效提高了映射精度;然后,基于复变函数法建立了驱动齿应力变形计算数学模型,分析了不同啮合位置下驱动齿应力分布规律;最后,以计算工况为边界条件,利用Abaqus对分析结果进行仿真验证,结果证明,仿真结果与计算数据最大误差约11. 76%,该数学模型能够较好地应用于驱动齿应力分析。该计算仿真结果可为驱动齿的结构内部优化和局部胶料改进提供理论依据。     

基于LSTM网络模型的航天器热变形预测

针对在轨航天器结构热变形问题,提出了一种基于贝叶斯优化的长短期记忆(LSTM)网络预测方法.结合航天器在轨温度测量数据和有限元模型仿真数据,完成了温度测点选取、LSTM网络模型结构设计、模型训练及热变形预测过程算法实现.实现了较少温度测点为输入下的航天器结构热变形预测.通过多组实验算例结果对比,验证了所提出的LSTM网...     

蒙皮点阵结构参数化及力学性能优化

针对蒙皮点阵结构的拓扑参数设计困难的问题,提出了基于胞元拓扑结构的蒙皮点阵结构建模方法,构建了蒙皮点阵结构试件的参数化建模及力学性能协同优化系统。将5种胞元构成的试件的蒙皮厚度与胞元尺寸及支柱截面半径作为优化参数,试件质量、变形和应力等设定为优化目标,使试件在分别受到压缩、弯曲、扭转载荷时具有较好的力学性能,从而得到轻质、高强度的点阵结构材料。研究得到了在各种载荷下蒙皮点阵材料的设计与优化的分析方法及各种胞元结构试件力学性能的数据,并通过实例验证了该方法的正确性及可靠性。