区间参数平面连续体结构频率非概率可靠性拓扑优化

研究了具有区间参数的平面连续体结构在固有频率非概率基频约束和频率禁区约束下的拓扑优化设计问题。考虑结构弹性模量、质量密度和频率约束限具有区间不确定性,根据SIMP材料插值方法和区间变量运算法则,构建了基于频率非概率可靠性约束的弯曲薄板和平面应力薄板结构的拓扑优化数学模型表达式,并给出了进化优化准则。算例及其结果表明文中模型和方法的有效性。     

基于动响应约束的结构材料优化设计

针对于随机荷载作用下动响应为约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出了一种变动响应约束的结构材料优化方法。采用分式有理式和幂函数识别结构材料单元特性参数,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出了频率及振型对微观单元设计变量的一阶导数,进而得到了随机荷载作用下结构均方响应的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,建立了以结构质量作为目标函数,均方响应作为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型,并采用对偶方法进行求解。对典型结构进行了考虑单个和多个动响应约束的结构材料优化设计,优化所得结果验证了该方法的有效性和可行性。     

考虑载荷不确定性的多材料结构稳健拓扑优化

传统的拓扑优化设计通常基于单材料与确定性条件,往往难以兼顾结构性能的稳健性。针对实际工程中载荷不确定性问题,研究多材料结构稳健拓扑优化设计方法。基于有序各向同性微结构材料惩罚模型法(Ordered-Solid Isotropic Microstructures with Penalization, Ordered-SIMP),进行多材料插值模型表征。构建载荷概率分布条件下结构柔度均值与标准差的加权目标函数,辅以体积约束。针对载荷满足随机场分布时,采用Karhunen-Loève展开将载荷随机场变换为有限个不相关的载荷随机变量加权和,并借助稀疏网格数值积分方法,将多材料结构稳健拓扑优化转化为求解一组多工况加权多目标确定性拓扑优化设计问题。通过数值算例验证所提方法的有效性与优化结果的稳健性。结果表明:针对不同材料组合方案,均能有效获得良好的多材料拓扑构型;与确定性设计相比较,稳健设计具有不同的材料布局方案,且结构性能更加稳定。     

基于变频率区间约束的结构材料优化设计

针对频率约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出变频率区间约束的结构材料优化方法。借鉴均匀化及ICM(独立、连续、映射)方法,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出宏观单元等效质量矩阵及导数,进而获得频率一阶近似展开式。结合变频率区间约束思想,获得以结构质量为目标函数、频率为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型;采用对偶方法求解。通过算例验证该方法的有效性及可行性,表明考虑质量矩阵变化影响所得优化结果更合理。     

考虑材料性能不确定性的声振强耦合系统稳健拓扑优化

针对外声场与结构强耦合问题,亟待开展不确定性优化的发展需求,提出了一种考虑材料性能不确定性的稳健拓扑优化设计方法。采用随机场模型描述材料弹性模量的不确定性,用级数最优线性估值方法将其离散成不相关的随机变量;进而用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)方法结合有限元-边界元耦合方法进行随机响应分析。通过材料属性的有理近似模型描述双材料的分布,以辐射声功率级的均值和标准差的加权和作为稳健拓扑优化的目标函数,随机响应的灵敏度同样通过PCE方法获得,最后通过移动渐近线优化算法对优化问题进行求解。数值算例表明,该方法相较于确定性拓扑优化可以获得对材料弹性模量不确定性更加不敏感的设计,这是不确定性优化方法在含外声场的声振强耦合问题上的一个新的拓展研究。     

基于6σ的车身噪声传递函数稳健优化设计

为提高设计稳健性,将6σ稳健优化设计引入车身噪声传递函数优化过程。将6σ质量管理、可靠性设计稳健设计相结合,考虑设计变量、约束条件目标函数在内所有不确定性信息,不仅满足优化目标函数、提高系统可靠性要求,使系统响应均方差最小化,即提高稳健性。以某型汽车为例,在汽车声固耦合有限元模型基础上采用基于试验设计的二阶多项式响应面模型,以车身总质量一阶模态频率为约束条件驾驶员耳旁声压级响应均方根值为目标函数,在基本随机变量概率特性已知情况下对车身噪声传递函数进行6σ稳健优化设计,与传统确定性优化设计相比表明该方法的有效性。     

基于ICM准则法的结构动力学边界拓扑优化设计

针对结构动力学边界条件,进行了基于固有频率和振型特定要求的结构动力学边界条件优化设计研究。建立了以结构振型差的范数为目标函数,结构固有频率为约束条件的动力学边界条件设计准则。根据实际结构在设计的约束条件范围内可能变更的方案,通过不断修改设计参数,确定满足结构动力学要求的方案。采用ICM准则法对刚架边界的机翼骨架模型进行了动力学边界的拓扑优化设计,数值模拟算例验证了该方法用于动力学优化设计的可行性。     

韧带型手性结构固有频率优化

对具有负泊松比的六韧带手性结构的动力性能进行了研究。以提高韧带手性结构胞元结构刚度为目标,建立基于固有频率参数的优化模型。通过定义不同阶次固有频率对应的权重系数,实现了固有频率参数的归一化。选择韧带手性结构胞元的韧带厚度、圆环壁厚两个参数为优化变量,建立了结构优化方程。最后,应用遗传算法（GA）对韧带手性结构进行优化。结果表明,优化后其前几阶固有频率明显提高,为减振降噪新材料的设计与应用提供了参考。      

基于灵敏度及层次分析法的键合头多目标结构优化

为满足保证键合头动态特性、避免共振条件下达到结构轻量化设计要求,提出基于灵敏度计算参数优选及基于层次分析法最优解提取相结合的多目标优化设计方法。通过有限元仿真计算与模态实验结合研究键合头动态特性验证有限元模型精度。针对拾取臂部件设计参数进行灵敏度分析并提取优化设计变量。用多目标遗传优化算法对拾取臂以一阶固有频率、结构质量为目标优化计算,用层次分析法优选出最佳优化方案。结果表明,优化后拾取臂一阶固有频率提高27.1%,结构质量减轻8.9%,且键合头已避开共振频段达到设计要求。该研究方法具有较高的精度及应用价值。     

基于频率灵敏度方法的宏微运动平台连接架结构优化

连接架与驱动设备频率相近而发生共振,将影响宏微运动平台的稳定工作和超精密定位的实现.为避免共振,本文以连接架为研究对象,搭建连接架固有频率有限元分析模型,并对有限元模型进行实验验证.然后,基于频率灵敏度方法对有限元模型结构参数进行摄动,通过分析刚度和第1阶固有频率对结构参数的灵敏度,进行设计变量选择,再以连接架质量为约束条件,将连接架第1阶固有频率倒数作为目标函数,对连接架优化模型进行优化并进行实验验证.通过优化,连接架第1阶固有频率得到了有效的提高,避免了连接架与音圈电机发生共振,从而为宏微运动平台稳定工作和超精密定位提供可靠依据.     

基于等效静载荷和模态跟踪的结构拓扑优化

为实现结构动态多目标下的拓扑优化设计,以特定模态固有频率最大化和动态柔顺度最小化加权函数为目标,提出动力特性和动力响应综合目标的渐进结构拓扑优化模型。基于等效静载荷原理,将结构的动刚度拓扑优化设计问题转换为多载荷工况静态刚度拓扑优化设计问题。基于模态跟踪技术,保证结构指定模态在渐进优化过程中的一致性。构建归一化目标函数避免不同性质目标函数的量纲与量级差异,融和渐进结构优化方法构造动态多目标下的连续体渐进结构拓扑优化算法。数值算例结果表明:所提出的动态多目标渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了渐进结构优化方法在动力学拓扑优化设计的应用领域。     

层合板频率响应与声功率双目标优化设计

利用遗传算法对复合材料层合板结构的固有频率间隔和辐射声功率进行双目标优化设计。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的固有频率和振速分布。通过声辐射模态理论,计算层合板结构辐射声功率。以铺设角度作为设计变量,第一阶与第二阶固有频率间隔和辐射声功率作为双目标优化目标函数,以某4层的层合板结构为例,采用目标加权法优化目标函数。研究了不同权重系数、不同频率时固有频率间隔最大化和声功率最小化对应的优化铺设角度。由数值分析结果可知:不同的权重系数比下获得的Pareto最优解不同;在同一权重系数下,两个优化目标所起的作用不尽相同;随着频率的增加,选择相对较大的权重系数可使Pareto最优解较好地兼顾两个优化目标。     

基于OMA试验模态参数的砌体结构有限元建模及修正

依托重庆新红岩隧道工程,选典型2层砌体结构进行隧道施工爆破振动激励的OMA试验,采用等效体积单元法建立能准确反映砌体结构真实动力特性的有限元模型;探讨砌体用不同材料模型所得分析频率与实测频率误差及二者振型相关性;据OMA试验模态参数,基于砌体与混凝土材料参数的结构固有频率灵敏度分析,选择合适的修正参数进行有限元模型修正研究。结果表明,二层砌体结构前4阶固有频率位于9~25 Hz;较用各向同性模型而言,砌体采用各向异性模型时计算所得前4阶频率与实测频率值更接近,振型相关性更好;修正有限元模型中材料密度、弹性模量、剪切模量后频率与实测频率间误差明显减小,结构模型动力特性更符合实际,正交各向异性材料模型修正最准确。     

一种机床固定结合面形状的拓扑设计方法

提出了一种考虑动力学特性的机床固定结合面形状的拓扑设计方法,将固定结合面实际接触区域的接触刚度模型等效为一种有限单元材料模型,给出了其材料等效模型——弹性模量及剪切模量的计算方法,并以此等效模型确定了固定结合面接触单元的刚度矩阵。采用渐进结构优化法进行固定结合部接触区域拓扑形状的优化设计,即采用删除准则,消除对总体固有频率贡献较小的接触区域材料,达到主动设计结合面实际接触区域的拓扑结构。通过车头箱与斜床身的螺钉结合面的工程案例,阐述了拓扑形状的动力学主动设计的基本流程,证明了这种方法的可行性与实用性。     

基于响应面法的微操作平台可靠性稳健设计

以一种新型微操作平台为对象,考虑其结构参数的随机波动,提出一种基于6σ稳健设计思想和响应面法的可靠性稳健优化设计思路。采用筛选实验设计方法确定设计变量,采用中心组合试验设计方法建立反映平台性能指标的响应面模型。基于该模型采用一次二阶矩法得到反映平台可靠性和稳健性的性能指标,即平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的概率分布及可靠度。基于6σ稳健设计思想建立以平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的稳健性为目标,平台可靠度为约束的可靠性稳健优化模型,采用序列二次规划法对平台进行优化。将稳健优化和确定性优化结果进行比较分析可知,平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的方差分别减小了40.9%、49.4%、33.6%,可靠度由61.36%提高到99.78%,实现了可靠性稳健优化的设计要求,说明了设计思路和理论模型的有效性。     

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

水力发电机组轴系不确定性量化及参数敏感性分析

当前关于水力发电机组轴系的研究主要基于确定性的框架,但在实际工程中,不确定性因素对机组轴系的影响不容忽视。鉴此,将在不确定性框架下对水力发电机组轴系结构固有特性和动态响应开展不确定性量化和参数的全局敏感性分析。首先,建立一个包含不确定参数的水力发电机组轴系动力学模型。然后,基于广义多项式混沌方法构建不确定结构参数与输出变量之间的关系,并结合最大熵原理,求得系统随机输出的具体概率分布表达式。另外,通过对多项式混沌展开系数的简单后处理获得了不确定输入参数对轴系结构固有频率和振动响应不确定性贡献的量化指标。同时,不确定性量化及敏感性分析的可靠性也用暴力Monte-Carlo模拟进行验证。在所提出的不确定性框架下水力发电机组轴系不确定性及参数敏感性研究对水力发电机组的设计、优化和运行具有重要指导意义。     

宏观结构性能约束下的材料微结构拓扑优化

为了设计周期性多孔钢或钢/铝复合材料优化微结构,基于独立连续映射法,建立了以结构总质量最小化为目标,节点位移为约束的拓扑优化模型。假设宏观结构由多孔材料或复合材料组成,其等效特性采用均匀化理论计算得到。定义了微观材料拓扑变量,节点位移约束采用一阶泰勒展开近似。各种材料设计要求作为约束条件纳入到优化模型中。推导了节点位移和总质量的敏度表达式。采用基于求解偏微分的过滤方法消除了数值不稳定性。在二维数值算例中获得了各种满足设计要求的优化材料微结构。结果表明:提出的方法在材料微结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性。      

汽车车身耐撞性设计参数的区间稳健性优化

基于区间分析,提出了一种考虑公差的汽车车身耐撞性稳健优化设计模型,可在有效降低耐撞性能对设计参数波动敏感性的同时实现公差范围的最大化。该模型首先利用对称公差来描述汽车碰撞模型中车身关键耐撞部件的主要尺寸、位置和形状等设计参数本身的不确定性,然后将参数设计和公差设计相结合,建立了以稳健性评价指标和公差评价指标为优化目标,设计变量名义值和公差同步优化的多目标优化模型。再次,利用区间可能度处理不确定约束,将该优化模型转换为确定性多目标优化模型。最后,将该模型应用于两个汽车耐撞性优化设计问题,并通过序列二次规划法和改进的非支配排序遗传算法进行求解,结果表明该方法及稳健优化设计模型可行且实用。     

基于响应面与灵敏度分析的区间不确定性参数识别方法

针对工程结构中普遍存在的不确定性,需开展考虑不确定性的有限元建模与模型参数识别。提出了具有区间不确定性参数识别的分步实施方法:①通过Box-Behnken矩阵设计方法进行响应面的样本点设计,并代入有限元模型计算获得结构的关心固有频率;基于二次多项式建立固有频率与待识别参数间的响应面模型;基于优化方法与自适应响应面思想对区间参数中值进行识别;②基于响应面模型并结合灵敏度分析,实现迭代区间参数半径的识别。通过某个质量—弹簧系统的数值算例和一组镜架系统工程实例的区间不确定性参数识别,验证了所提出方法的可行性和可靠性;参数识别结果表明所提出的方法具有较高的计算效率且可有效地避免区间优化导致的收敛问题。