热结构稳态响应下的敏度分析方法和形状优化

形状优化中的差分敏度分析计算量随设计变量数目的增加而快速增大,为减少结构分析的计算量,提出一种近似－差分敏度计算方法。该方法采用组合近似法对扰动结构进行近似重分析,并运用差分法计算结构响应量的敏度值。由于组合近似法在结构小扰动的情况下具有较好的近似精度,故而近似－差分敏度分析在保证敏度精度的前提下克服了计算量大的缺点。以可动边界关键点的虚拟位移为设计变量,建立热结构稳态响应的形状优化模型。通过数值对所提出的敏度分析方法和形状优化模型进行验证。结果表明,所提出的方法和模型在热结构稳态响应的形状优化设计中具有可行性和有效性。     

基于无网格Galerkin法的灵敏度分析与形状优化

结构形状优化已经在工程应用中得到重视,将无网格法与形状优化相结合能够从根本上解决优化过程中出现的有限单元扭曲或畸变问题。为此在无网格Galerkin法的基础上,利用离散导数法,提出一种基于离散型的节点位移灵敏度分析方法,其中采用了拉格朗日乘子法来施加本质边界条件。该方法的最大优势是求解过程与无网格Galerkin法的求解过程相似,容易实现。另外对形状优化的数学模型和节点位移的设计速度域进行了讨论。采用具有解析解的实例,对所提出的灵敏度分析方法进行了验证,所得结果显示两者非常吻合。利用上述所建立的形状优化算法,完成了两个工程实例的形状优化设计。     

基于流函数法的铝型材挤压导流模合理设计

采用模拟试验法和理论分析法研究了导流模内型材挤压的流动机理;提出了确定导流腔最小深度的理论依据;用基于流函数的上限分析法确定了实心薄壁铝型材挤压变形的流线方程、动可容速度场、应变速率场及上限功率;讨论了变形程度等参数对导流模最小理论深度的影响,得出实心薄壁铝型材导流腔深度的理论最小值为导流腔半宽的0.7～0.8倍。理论结果得到了试验证实,为导流模合理设计提供了可靠的依据。     

改进的生物生长法及其在离心叶轮三维形状优化设计中的应用

考虑到传统生物生长法只能对简单形状进行优化的局限性,结合复杂结构的三维形状优化设计,对生物生长法提出三点改进:①不直接采用修正后节点坐标来调整网格,利用B样条函数描述修改后结构的外边界。②构造出在满足应力和几何条件下可使结构重量最轻的目标函数,进而大大增强了生物生长法在处理复杂结构形状优化设计方面的能力。③在生物生长法形状优化过程中,采用罚方法对违反约束条件的个体给予惩罚。作为工程实例,该方法被用于某三维离心叶轮的结构形状优化设计。计算结果表明,该方法可在较短时间内得到满足各种应力和几何约束的重量最轻解。     

微机械陀螺结构形状自组织优化方法

以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,提出基于元胞自动机的结构形状自组织优化方法,建立自组织形状优化的局部规则和基于最终输出的性能评价方法,实现对微陀螺结构形状的优化设计.建立微陀螺的子结构模型,在满足精度的同时缩减形状优化的计算时间,并以实例解析说明方法的有效性.形状优化结果表明,微陀螺的整体性能有大幅度提高,同时能够保持品质因子Q值很高.微机械陀螺的自组织优化方法和结果在提高解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺的解析、设计和评价具有重要的参考价值.     

基于力密度方法的NURBS曲线和曲面变形框架

提出基于力密度方法的统一求解策略,实现NURBS曲线和曲面的精确变形.将控制网格类比为空间索网结构,分别建立外载荷变化最小、外载荷最小、杆阻尼长度最小和节点位移最小等四种表达不同几何和物理意义的最小化模型来驱动变形,并以控制顶点在变形前后的位移为变量,建立统一表达的目标函数方程,便于多个最小化模型组合使用,满足特定的变形需要.由于目标函数的二次性以及约束的线性化处理,优化问题可以通过Lagrange乘子法转化为线性问题进行求解.在计算中引入目标函数快速求解算法,使变形设计可以满足实时交互操作的需要.应用实例表明,该算法可以应用于细节特征设计和反求建模等复杂曲面造型.     

基于灵敏度的电磁结构形状优化方法研究

研究基于灵敏度的电磁结构形状优化设计方法。针对以往用磁位作为状态变量不方便的情况，文中直接采用磁通密度为状态变量。在用直接法求解矢量磁位灵敏度方程的基础上，给出适合形状优化的磁通密度灵敏度分析的两种方法——半解析法和局部差分法。前者在磁通密度灵敏度计算中对形函数导数采用了差分近似，后者用一阶近似方法得到设计变量扰动后的矢量磁位和磁通密度，然后用差分法计算磁通密度灵敏度。两种方法简单且计算效率高，精度能够满足要求。优化问题求解采用序列线性规划算法。应用本文方法对电磁铁和同步电机磁极进行形状优化，取得了满意的结果。     

解析法计算应力敏度的三维边界元形状优化

讨论了三维弹性连续体应力集中极小化的形状优化问题。边界元法作为应力分析工具,解析法或差分法计算应力敏度,用约束变尺度优化算法进行优化。根据形状优化的特点,给出了提高求解形状优化问题数值方法效率的措施：用子结构技术,节省了应力重分析时的计算机时;用选主元三角分解法方程组,使解析敏度分析时不解方程组。所编程序实用于分布载荷作用下的一般三维弹性连续体构件的应力集中最小的形状优化问题。该算例为轴类零件,用三次样条函数描述待优化力界的母线,并将其插值样点的坐杆作为设计变量。待优化边界光滑,设计变量小。算例结果表明：优化结果正确,应力集中显著降低,程序运行稳定、高效和可靠。     

圆盘锻件纯形状锻造模具优化设计

在讨论圆盘锻件模具设计现状的基础上,提出了一种金属成形过程的有限元灵敏度分析方法和以此为基础的模具形状优化设计方法。对圆盘件锻造过程进行了灵敏度分析和模具形状优化设计。结果表明,采用优化设计的预锻模具,可得到侧面无鼓形的纯形状圆盘锻件,并且预锻模具形状光滑、简单、便于加工和锻造生产。为圆盘锻件的纯形状锻造模具设计提供了一种定量分析方法。     

函数展开法及高分子材料胶层的应力分析

以函数展开法并运用虚余功原理完成数学模型的建立过程,然后通过计算机运算指出高分子胶粘剂的一些重要使用性质－其在使用中所具有的力学性能,如应力、强度等。文中给出了计算实例,并得到了更合理的结果。     

板形信号模式识别方法的研究

通过对板带板形信号的分析,针对传统板形信号模式识别方法抗干扰能力差、逼近阶n难以确定和逼近精度有限的缺点,应用模糊分类理论和最优化方法,构建了一种新的板形信号模式识别方法,有效提高了识别的精度和速度,可以满足板带轧机高精度板形控制的要求。     

基于局部自然邻近无网格法的形状优化

把自然邻近无网格法中控制方程的局部积分“弱”形式应用于连续型物质导数法灵敏度分析中,使用直接微分法导出了基于局部子域积分方程的连续型灵敏度分析公式,采用自然邻近无网格法对其离散求解,以获得各结点处的灵敏度信息。使用该灵敏度分析方法,把自然邻近无网格法与非线性规划理论相结合,采用约束变尺度序列二次规划法,构建了一种形状优化方法。算例表明,该灵敏度计算方法只使用离散结点信息,计算精度高,无需额外的背景积分网格,优化过程不需要网格重构,具有较高的收敛速度,使用较少的设计变量就可以获得良好的优化效果。     

ELASTOPLASTIC CONTACT BEHAVIOR AND SHAPE OPTIMIZATION OF DRILLPIPE THREAD

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳＤ———ＥｌａｓｔｉｃｉｔｙｍａｔｒｉｘＱ———Ｐｌａｓｔｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｙ———ＹｉｅｌｄｆｕｎｃｔｉｏｎＫｔ———ＴａｎｇｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｍａｔｒｉｘＫ0 ———ＩｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｍａｔｒｉｘΨ(ｕ)———ＮｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｃｒｅｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒＤｐ———ＰｌａｓｔｉｃｉｔｙｍａｔｒｉｘＤｅｐ———ＥｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃｍａｔｒｉｘＡ———Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｋ———Ｈａｒｄｅｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒλ—…     

考虑结构非线性特征的参数化形状优化方法

提出并实现一种将参数化设计技术应用于考虑结构非线性特征的形状优化设计领域的新方法。参数化设计技术是近年来发展起来的新一代CAD软件平台的核心技术之一。文中基于三维参数化CAD平台，将参数化设计技术、有限元建模技术与有限元分析优化系统集成为参数化的形状优化系统；引入非线性分析技术，以解决工程上大量存在的非线性形状优化问题。该方法克服了以往形状优化方法应用于三维实体结构时所面临的几何形状描述、约束与驱动的困难，为机械产品三维结构优化设计提供一个新途径。     

高速转子动平衡的传递函数法

应用传递函数（TF）的概念研究柔性转子高速动平衡两种经典方法－－影响系数法（ICM）和振型平衡法（MBM）的关系，证明二者本质上的统一性，并建立影响系数矩阵与传递函数矩阵的解析关系。应用灵敏度分析技术对柔性转子进行特征灵敏度分析，给出高速动平衡方法中平衡截面位置的选取原则。基于推导出影响九与传递函数的解析关系，提出柔性转子高速动平衡的新方法－－传递函数法（TFT）。多次实验表明，这一方法十分简单有效，有较高的准确性，既克服了影响系数法需要多次起机的缺点，又避免了振型法在临界转速测量时振动过大和相位不稳定的问题。     

非等温成形过程中的预锻模具形状优化设计

采用塑性有限元、灵敏度分析和工程优化算法相结合的方法,对非等温成形过程中预锻模具形状进行了优化设计。预锻模具形状采用三次B样条函数表示,B样条函数的控制点作为设计变量,通过优化预锻模具形状,可实现净形锻造,得到无飞边完全充满模腔的合格终锻件。给出了模具形状优化设计步骤,推导了速度灵敏度方程和温度灵敏度方程。最后以一轴对称圆盘锻造过程为例,对预锻模具形状进行了优化设计。     

一种频响函数灵敏度分析方法

频响函数灵敏度分析在结构动力优人和振动控制等许多领域中着广泛的应用,基于模态展开和幂级数展开原理,提出了一种频响函数灵敏度分析的模态展开法,为了减少模态展开时的模态截断误差,文中同时给出了一种模态加速了方法,该方法可大大提高模态截断时的灵敏度分析精度,通过对一数值害例计算表明,文中提出的方法非常有效。     

系统模糊性能的功能树分析方法

性能指标是系统的重要质量指标,它的满足程度如何将直接影响系统运行的经济性和有效性。以前,对系统运行过程中普遍存在的功能退化问题没有给予足够的重视,本文针对这一状况,应用模糊集理论,将性能指标模糊化,对系统功能问题进行了初步探讨。重点研究了系统性能指标模糊概率的求解问题,给出了一种较为通用的分析处理方法,为系统功能退化问题的深入研究提供参考。     

基于影响函数法的轧制压力横向分布规律分析

轧制压力横向分布直接影响轧辊的弹性变形和轧件的出口厚度分布。文中基于影响函数矩阵法,对轧机辊系受力和弹性变形进行计算分析,研究轧制过程中弯辊力和压下率对轧制力横向分布的影响,揭示轧制压力横向分布系数与弯辊力呈近似线性增长、与压下率呈近似线性减小的规律。分析表明,通过调节弯辊力或在轧制规程中改变压下率设定,可改变轧制压力的分布。为轧制压力横向分布函数的在线快速计算和板凸度控制模型的建立提供基础。     

基于断裂力学理论的结构形状设计优化

采用生物算法对飞机结构中典型开口问题进行基于断裂力学理论的优化设计研究,将以往按照应力优化的思路发展为按照开口边缘应力强度因子优化,采用三次样条函数曲线模拟开口结构形状,以插值节点处的应力强度因子为优化目标,通过调整节点的位置实现优化目的.文中通过两个不同设计域下的算例的优化结果,表明按照文中方法进行结构形状优化,不仅能使整个开口边缘有均匀的应力强度因子,而且能使关键部位的应力强度因子大大降低.