基于胞元拓扑优化法的内凹六边形负泊松比超材料结构设计

基于拓扑优化的方法,提出了一种内凹六边形负泊松比超材料的结构胞元拓扑优化方法。针对胞元 的不同内凹角的拓扑基结构,以指定的材料底边长与肋部长作为约束条件,把结构胞元泊松比最大化作为目 标函数,建立了不同内凹角内凹六边形负泊松比超材料的拓扑优化模型并进行计算。提取拓扑优化得到的结 构胞元构型,经过一定的周期排列最终得到负泊松比结构。建立超材料结构的宏观模型,验算了结构胞元的 负泊松比并和理论值相比较,计算分析内凹六边形负泊松比超材料的力学行为。结果表明,内凹六边形负泊 松比超材料内凹角越大其负泊松比效应越明显。与传统多孔材料结构相比,设计的超材料结构具有更好的承 载能力。     

功能梯度材料结构拓扑优化设计研究

在航天飞行器材料与结构的设计中,提高性能和减轻重量始终是两大主要任务.功能梯度材料(FGM)的概念是针对高速航天器中材料的应力缓和问题提出的;拓扑优化则是现代优化设计中减重设计的重要手段.文章根据拓扑优化的概念和功能梯度材料的概念之间存在的紧密联系,本质上都考虑了材料属性的连续性改变,基于SIMP模型,并采用凸规划求解策略以及周长控制方法,实现了功能梯度MBB梁和功能梯度夹层结构中夹芯的拓扑构型设计,设计结果揭示了功能梯度材料中性能指数和材料模型对优化构型中材料分布的影响规律.     

基于混合元胞自动机的护栏防撞端头设计

为提高护栏防撞端头的防撞等级,结合正交试验设计思想,在建立长度不一的防撞端头吸能空腔的等效拓扑优化模型基础上对防撞端头进行设计。基于混合元胞自动机方法进行耐撞性拓扑优化分析,得到几种不同吸能空腔结构的截面拓扑构型,分析不同截面拓扑构型的吸能能力,确定最佳拓扑构型。结果表明:根据耐撞性拓扑优化获得的最佳截面拓扑构型设计的防撞端头,能够满足100 km/h失控车辆的碰撞要求,提高了现有防撞端头的防撞等级;防撞端头总长不超过4 m,实现了护栏防撞端头的小型化、轻量化设计。     

一种载荷路径可控的柔性机翼前缘拓扑优化方法

形变柔性机构拓扑优化设计是解决自适应机翼前后缘连续平滑变形的关键。针对柔性机构传统基结构法拓扑优化结果依赖于其初始结构构型产生方法,存在自由单元和不连续结构的问题,提出了一种载荷路径生成可控并避免路径交叉的方法,运用自适应遗传算法,结合机翼前缘形变柔性机构进行拓扑优化设计,分别用MATLAB编程设计计算和用ANSYS对优化结果进行了有限元形变性能分析,并与传统的载荷路径法的拓扑优化进行了对比分析和实验验证。结果表明:所采用方法有效解决了优化前初始结构构型生成的可行性问题,提高了优化的收敛速度和精度。     

基于基结构法的机翼仿生曲面网格结构设计

以某太阳能无人机机翼结构为研究对象,结合该类结构刚度分散大、超轻质、大展弦比等特点,运用基结构离散拓扑结构优化方法与仿生思想相结合的方式,设计得到了一种新的碳纤维轻质机翼结构。利用分步优化设计思想,通过GRAND法建立基结构网格关系,得到离散拓扑优化设计空间,并运用线性方法求解优化问题,获得机翼结构的拓扑关系;通过提取离散拓扑结构中杆件的节点尺寸信息,建立设计域内的材料权重分布;结合仿生设计理念,以编译结构拓扑生成方式的形式,表征参数化的模型几何特征;运用优化方法,得到最终的仿生机翼曲面网结构的最优拓扑形式。对比了该仿生结构与其他传统结构形式的结构性能,验证了所提方法对于太阳能飞机这类特殊机翼结构在超轻设计方面的可行性,在满足使用要求的前提下,实现了34.4%的结构减重。为开展此类刚度分散、碳纤维用超轻质结构研究提供了一种新的设计方法。     

基于群体智能算法的无人机蜂群拓扑构型方法

面向特定任务场景，无人机蜂群需要通过拓扑构型自主形成特定的拓扑形状以实现高效群体协同机制。拓扑构型通常包含从初始拓扑到目标拓扑的最佳映射和最优拓扑构型位置这两个问题，它们相互影响并直接关系到无人机蜂群的全局能量消耗。基于全局能耗最小化为目标的无人机蜂群拓扑构型联合优化模型，建立了基于群体智能算法的一般化求解框架，给出了基于灰狼优化算法(GWO)、均衡优化算法(EO)和穷富优化算法(PRO)的具体求解方法，并讨论了基于群体智能算法求解优化模型的加速收敛策略。仿真结果证明了该无人机蜂群拓扑构型方法的有效性。在典型拓扑构型场景下，该优化方法在8次迭代内即可实现算法收敛。     

基于连续体拓扑优化的网壳结构鲁棒构型分析

为了对网格结构进行鲁棒性定量分析及找出鲁棒构型,以系统传递函数的H2范数作为结构鲁棒性的定量评价指标和优化目标;以单元相对密度为设计变量,采用固体各向同性惩罚微结构(SIMP)模型描述材料的刚度,建立鲁棒设计的数学模型,将结构的鲁棒性设计转化成连续体拓扑优化;引入保留精英种群的思想,并将大爆炸算法扩展应用在质点系优化中,求得全局最优解.以四点支承双曲扁网壳为例,分析了不同荷载条件下拓扑优化得到的鲁棒构型.结果表明：大爆炸算法可以有效地应用于连续体拓扑优化的鲁棒性构型设计中;以鲁棒构型为准则的正交斜放双曲扁网壳结构优于正交正放双曲扁网壳结构;结构的鲁棒构型可以明确结构的传力路径,对结构的杆件布置和截面设计具有指导作用.     

水平集拓扑优化方法的改进

基于水平集方法和形状灵敏度分析,采用梯度法实现了柔性目标函数的拓扑优化设计。该方法通过隐含边界水平集方程诱导几何边界演化,引入最大剪应力准则构造拓扑结构。算例表明,采用该方法可以避免拓扑优化过程对初始拓扑结构的依赖性,可以弥补水平集优化方法不能开新孔的缺陷。故该方法在复杂结构和模具优化设计中具有重要意义。     

水平集拓扑优化方法的改进

基于水平集方法和形状灵敏度分析,采用梯度法实现了柔性目标函数的拓扑优化设计。该方法通过隐含边界水平集方程诱导几何边界演化,引入最大剪应力准则构造拓扑结构。算例表明,采用该方法可以避免拓扑优化过程对初始拓扑结构的依赖性,可以弥补水平集优化方法不能开新孔的缺陷。故该方法在复杂结构和模具优化设计中具有重要意义。     

疲劳寿命约束下的连续体结构拓扑优化

在连续体结构拓扑优化设计中,优化模型通常考虑强度、刚度、稳定性等力学性能.为研究在结构优化设计中疲劳特性对于结构拓扑的影响,基于独立、连续、映射(independent continuous mapping, ICM)拓扑优化方法,引入了疲劳寿命过滤函数,提出了连续体结构疲劳拓扑优化的模型和求解方法.建立以结构质量最小为目标、疲劳寿命为约束的连续体疲劳拓扑优化模型,通过将疲劳寿命约束转化为应力约束,对优化模型进行了求解.数值算例对比了不同刚度过滤函数、疲劳寿命过滤函数的系数,得到了过滤函数系数对结构质量与结构构型的影响规律;研究了疲劳寿命和应力分别作为约束时拓扑优化结果的差异性,给出了不同的循环外载荷工况情况下的算例,得出了随循环外载荷变化时的结构质量及结构构型.研究结果验证了连续体疲劳拓扑优化理论的有效性与可行性.     

基于不规则元胞的主轴温度－结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法（HCAM）耦合场主轴热拓扑优化设计方法. 该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化. 通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度. 利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度－结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.     

折纸超结构准静态压缩力学性能分析与优化设计

为了改进折纸超结构的构型设计,基于Miura折纸原理设计了一种超结构.利用数值仿真分析方法研究了面外准静态压缩力学性能,探讨了折纸超结构的边长比、单元角度、展开角度以及厚度对其压缩过程的变形及能量吸收的影响规律.引入主次影响分析方法,比较了几何参数对力学性能指标的重要影响程度.基于响应面方法,建立了以初始峰值力最小和比吸能最大为目标、以几何尺寸为约束、以折纸超结构重要影响几何参数为设计变量的优化模型,并采用非支配排序遗传算法对优化模型进行了求解,获得了Pareto前沿最优解.研究结果对于提高折纸超结构的力学性能及构型设计具有一定的理论指导意义.     

两种新型蜂窝结构的承载性能对比

蜂窝结构有精巧、适用及节省材料等优点,其轴向承载力是一个非常重要的力学性能。以某型号电动车底盘部的甲板为例,研究菱形和圆形组合、三角形和六边形组合的新型蜂窝结构力学性能,对比其结构稳定性、轴方向的强度和刚度;基于Ansys workbench,通过改变壁厚,优化夹芯层整体的强度和刚度。结果表明,三角形和六边形组合蜂窝在轴向结构稳定性、整体的强度和刚度方面都要优于菱形和圆形组合的蜂窝结构。     

火箭武器发射箱结构优化方法及应用

火箭炮发射箱的设计多依据以往的结构和经验,为解决大质量火箭弹引起的发射箱刚强度问题,提出了发射箱结构优化设计方法和思路,建立了满足功能需求的发射箱初始几何模型.考虑到火箭弹重力和燃气射流压强对发射箱的动态作用,定义了火箭弹位于发射箱不同位置及不同压强载荷下的有限元优化模型.以刚度最大化为目标对发射箱进行了静态响应拓扑优化,依据拓扑优化结果构建发射箱新几何模型,新模型的结构性能验证结果很好地满足了刚强度要求.最后以质量最小化为目标对新模型进行了形状优化,结果表明新发射箱变形和应力均在合理范围内.     

基于连续体拓扑优化的大型基座轻量化设计

拓扑优化设计能在给定约束和边界条件下,获得最优的材料布局。研究了连续体结构拓扑优化在大型基座轻量化设计中的应用。介绍了连续体拓扑优化原理,建立了拓扑优化的数学模型;对某大型经纬仪的基座进行连续体拓扑优化设计,获得基座的最优材料分布结果;以拓扑优化结果呈现的材料分布特征为依据,用空心方钢管构建桁架结构基座,完成轻量化基座的设计;对设计结果进行有限元分析,结果表明,轻量化基座与传统铸造结构基座相比,在保证静力载荷变形不变的情况下,可减重357.4kg,轻量化率为27.8%。     

微分演化算法在桁架形状优化中的应用

为了获得全局最优和解决具有应力约束、几何约束以及局部稳定性约束的桁架形状优化问题中2类不同设计变量耦合给优化带来的困难,将1种新型智能优化算法——微分演化（Differential Evolution,DE）应用于桁架结构的形状优化问题中。给出了考虑节点坐标和截面面积两类不同性质的设计变量的桁架结构优化的数学模型,并对几个经典的桁架结构进行优化,将所得结果与其他优化算法结果进行了比较。数值结果表明了DE算法具有良好的收敛性和稳定性,可以有效地进行桁架结构的形状优化设计。     

基于拓扑优化的宽频超材料吸波体设计

为了弥补传统方法设计宽频超材料吸波体存在重复试验和设计周期长的缺陷，提出用拓扑优化方法来设计宽频超材料吸波体，通过改变表层拓扑结构以实现工作带宽的灵活调节。采用离散编码的方式进行拓扑编码化，通过一种结合动态权值和高斯误差的二进制粒子群算法优化拓扑结构，以实现C-Ku内任意工作频段的高吸波率。所设计的2种超材料吸波体在8.2～16.6 GHz和7～13 GHz频段的吸波率高于90%,尤其在X频段内，其中一种超材料吸波体的平均吸波率高达96.44%。实验结果表明，所提算法改善了早熟和后期局部搜索能力弱的情况，可更有效地应用于宽频超材料吸波体的设计。     

基于Von Mises应力的预应力钢结构拓扑优化设计

为预应力钢结构设计获得最优拓扑构型和索力值,以结构拓扑和索力值为设计变量,以Von Mises应力为约束条件,建立了以结构质量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法删除低Von Mises应力单元实现结构的拓扑优化以减轻结构质量.算例结果与相应体系受力性能相吻合.     

节流阀稳定流量的试验研究

本文主要通过试验研究,寻求获得稳定小孔流量的有效方法。首先对流量控制装置一流量阀施加附加振动;然后采用不同阀芯材料;最后改变阀芯的开口截面形状。结果表明:附加振动是消除堵塞获得小孔稳定流量的最有效措施。阀芯材料以及阀孔开口截面形状亦影响流量的稳定性。并为流量阀的设计提供了可靠的参数。     

砂土颗粒DEM模拟中颗粒集合体的组装与标定

颗粒DEM数值模拟中,首先需要进行数值颗粒集合体的组装,颗粒形状与孔隙率是重要的组装参数。采用PFC2D对不同形状颗粒的摩擦系数与孔隙率之间的对应关系进行了探讨,形成了一种获取指定孔隙率数值颗粒集合体的方法。鉴于圆形颗粒集合体表观强度较低的情况,对3种非圆形颗粒的强度和剪胀性曲线进行了对比。将80%的条形颗粒与20%的三角形颗粒混合,获得了指定相对密度85%的集合体,并标定得到了颗粒细观参数。不改变颗粒混合体形状与比例,组装得到相对密度为50%的试样,对颗粒接触力学参数进行微调后也可以获得与实际试验曲线较为对应的结果。采用组装与标定结果,模拟砂填料桩承式路堤模型试验,获得的路堤填料变形演化过程与模型试验吻合,验证了颗粒组装与标定方法的可靠性。