加筋板结构静态性能分析及优化设计

对于工程中广泛使用的加筋板结构,利用有限元分析的方法,对井字型、X型和蜂窝型三种典型加筋板类型进行了静刚度性能分析及比较,并研究了结构参数对加筋板性能的影响,且根据分析结果总结了加筋板类型和结构参数的优化方向.     

薄板结构加筋布局设计的渐进结构优化方法

基于加筋板结构有限元分析技术、渐进结构优化(ESO)方法提出一个系统的策略,研究薄板结构的加筋布局优化问题.研究加筋板结构有限元分析的两种方法,对比其计算精度与效率.基于板梁离散有限元模型,通过ESO方法控制加筋的生长与去除,获得加筋的布局.采用该方法对板结构进行以结构刚度最大为目标的加筋布局优化设计,数值结果表明所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

大跨度无支撑甲板拓扑-尺寸-材料联合优化设计

提出了一种加筋板概念-详细联合设计框架,以开展空间约束下的大跨度无支撑甲板刚度、变形及动态振动性能拓扑-尺寸-材料综合优化研究。应用加筋板拓扑设计域降维处理策略解决了大跨度甲板三维实体单元断连及计算效率低的问题。提出了兼顾迭代效率和逼近全局最优解的三段式延拓(TSC)法并应用于大跨度甲板的应变能、多工况位移及一阶动态频率的概念设计。通过480个加筋板刚度最大化算例证明了TSC法的有效性。提出了尺寸/材料一体化设计方法,并联合自动化技术对大跨度甲板概念结构进行了详细设计以便工程化制造,即曲形T形梁的截面尺寸、面板厚度及材料弹性模量组合优化。结果表明：与传统大跨度甲板相比,通过加筋板概念-详细联合设计框架高效获得的曲形大跨度无支撑甲板具备空间及性能(刚度、变形、动态振动)的双重优势。     

超大型容器牛眼式局部焊后热处理模拟分析与工程应用

大型容器插入板与筒体传统牛眼式局部焊后热处理易发生开裂,通过有限元模拟方法分析了大型插入板与筒体焊接接头焊后热处理过程,探讨了整圈一次加热、整圈一次加热+垂直焊缝加筋板、整圈一次加热+垂直焊缝加筋板+辅助加热3种热处理工况的应力和变形情况,采用优化的焊后热处理工况进行了工程实施应用.结果表明,垂直焊缝布置加筋板可以显著...     

加筋肋板受力行为分析及其优化研究

采用有限元仿真和实验测试方法，以三种加筋肋构型为研究对象，分析了在给定材料参数和加筋板几何参数的情况下，加筋肋构型对加筋板结构的力学行为的影响，并采用正弦曲线代替直线的方法对结构进行优化计算。研究表明，正方构型45°方向分布时对板加固效果优于正向分布，正六边形与内凹形构型竖直方向分布时对板加固效果优于水平方向分布与45°方向分布；加筋构型孔隙夹角越小对板加固效果越好；加筋层采用正弦曲线代替直线边界可显著提高加筋板的承载能力；通过对加筋板加筋层裂纹路径的分析，可得在加筋板弯曲变形后加筋层均是在承载位置处沿着纵向肋壁扩展。     

起重机加筋翼缘板的局部屈曲数值仿真分析

针对起重机柔性肋加筋翼缘板的局部屈曲失稳问题,以承受单向轴压的四边简支加筋矩形板为分析对象,采用有限元数值方法,研究加筋板在文献[1]的约束方法下,长宽比β、抗弯刚度比γ、面积比δ对屈曲系数k的影响。将得到的结果与Timoshenko能量法进行对比,验证了有限元数值仿真法的正确性。对比研究截面积相同但纵向构型不同的加筋肋在相同配筋方式下对简支矩形板的加强作用。结果表明:当长宽比β=1.67时,T型肋加筋板屈曲系数比矩形肋加筋板屈曲系数大54.8%;角型肋加筋板比矩形肋加筋板大32%。     

箱型支撑结构加筋板布局设计方法研究

针对箱型支撑结构内部加筋板的布局问题,提出了一种基于密度法的高效设计方法。将箱型结构表示为内部布置有平行分布杆的结构,即所谓的纤维模型;采用密度法对承载外壁的材料分布进行优化设计;根据外壁的材料分布情况,确定箱型结构的内部加筋板。引入纤维模型,将三维实体结构拓扑优化设计问题转化为二维板壳结构的拓扑优化问题,计算量小,设计效率高。通过对典型设计实例的设计分析,说明了该方法的有效性。     

典型加筋整体壁板的优化设计

用ANSYS软件对机翼典型加筋整体壁板进行优化设计,并利用优化结果对加筋整体壁板进行稳定性分析和与原铆接壁板进行数值比较分析,该方法可为该类加筋板的设计提供参考.     

筋条形式和制造工艺对轴压载荷下钛合金加筋板力学行为模式的影响分析

加筋壁板是航空结构中常用结构形式,不同筋条形式和不同制造工艺会影响其力学行为及其失效模式.针对钛合金加筋板,采用有限元方法建立数值计算模型,研究了T型、L型和Z型3种不同截面形式筋条对加筋板的屈曲模态和破坏形式的影响机制,分析了焊接、点焊和铆接不同制造工艺对加筋板的屈曲载荷和后屈曲特性的影响.结果 表明:T型加筋板的屈...     

基于声功率灵敏度的仿生脉序优化方法研究

通过仿照自然界双子叶植物叶脉的分布形式和生长特性,提出一种自适应成长的板壳结构加筋布局设计.采用仿生设计,将结构加筋分布的过程看作为一个逐级生长的分枝结构,从种子点位置出发,沿着使结构性能最优的方向进行生长同时将对结构性能贡献最小的加强筋进行退化,逐步形成最优加筋布局.以矩形薄板为例,首先,通过典型算例的刚度优化进行方...     

基于相对差商与序列两级算法的离散变量结构优化研究

针对离散变量结构优化设计中存在的NP问题,提出了相对差商-序列两级混合优化设计思想,建立了混合优化数学模型.在可行集外由目标函数最小点出发,沿目标函数增加最小、约束函数降低最多的方向逐步搜索,通过整体与局部两级约束划分,提高了收敛速度与全局搜索能力.比较结果表明,该方法在解决一类目标函数与约束函数具有单调性质的离散变量优化问题中,具有很好的可行性.     

Intelligent Optimization Methods for the Design of an Overhead Travelling Crane

In design optimization of crane metal structures, present approaches are based on simple models and mixed variables, which are difficult to use in practice and usually lead to failure of optimized results for rounding variables. Crane metal structure optimal design(CMSOD) belongs to a constrained nonlinear optimization problem with discrete variables. A novel algorithm combining ant colony algorithm with a mutation-based local search(ACAM) is developed and used for a real CMSOD for the first time. In the algorithm model, the encoded mode of continuous array elements is introduced. This not only avoids the need to round optimization design variables during mixed variable optimization, but also facilitates the construction of heuristic information, and the storage and update of the ant colony pheromone. Together with the proposed ACAM, a genetic algorithm(GA) and particle swarm optimization(PSO) are used to optimize the metal structure of a crane. The optimization results show that the convergence speed of ACAM is approximately 20% of that of the GA and around 11% of that of the PSO. The objective function value given by ACAM is 22.23% less than the practical design value, a reduction of 16.42% over the GA and 3.27% over the PSO. The developed ACAM is an effective intelligent method for CMSOD and superior to other methods.     

Multi-objective structural optimization of a HAWT composite blade based on ultimate limit state analysis

An extensively automated optimization procedure is presented for a horizontal axis wind turbine (HAWT) blade based on ultimate limit state analysis. Two composite materials named glass fiber reinforced plastic (GFRP) and carbon fiber reinforced plastic (CFRP) are applied with a multi-objective of blade cost and total mass. Laminate layer thickness, material type and orientation angle are tailored for the structural performance and subjected to three design constraints which are derived from analysis of ultimate strength, fatigue failure and critical deflection, respectively. Combining FEM analysis and an evolutionary algorithm, the proposed optimization process has dramatically reduced design cost and improved blade performance.     

基于不同过滤函数的ICM拓扑优化混合建模方法

基于独立连续映射（ICM）法中设计变量独立性的特点，提出一种混合插值建模方法。该方法基于两类常见插值函数分别对单元体积、单元刚度阵进行过滤识别，通过两两组合，得到四种不同的拓扑优化模型。四种模型中，除体积目标函数一、二阶导数表达式不同外，它们的结构响应量的敏度分析和优化建模方法相同，从而保证了优化求解算法的一致性。通过拓扑优化数值算例对比分析了不同模型参数下的拓扑优化结果，结果表明，混合建模方法在连续体结构拓扑优化建模中具有可行性和有效性。     

EFG法在线弹性结构形状优化中的应用研究

出现在基于有限元形状优化过程中的网格畸变与扭曲问题,可通过引入无网格方法得到解决。本文首先建立了结构形状优化的数学模型,利用无网格Galerkin(EFG)法对形状优化的设计域进行了离散,采用罚函数法来施加边界条件,借助于直接微分法建立了一种离散型基于无网格Galerkin法的设计灵敏度分析算法,然后用1个具有解析解的实例对其进行了验证,所得结果显示两者是一致的。最后利用对所建立的算法完成了1个工程实例的形状优化设计,并对所得到的优化结果结合工程应用进行了讨论。     

基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法

提出一种基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法,在给定荷载及支撑的条件下,用壳单元模拟薄板壳,用梁单元模拟加强筋,并根据梁的边缘纤维屈服准则给出加强筋截面高度的修改公式,通过结构重分析不断修改梁单元的尺寸,使每个梁单元的边缘纤维达到屈服,满足迭代收敛准则后删除截面高度小于阈值的梁单元,获得薄板结构加强筋的新的分布形式并提高阈值.在加强筋的新的分布形式基础上进行下一轮优化设计.当阈值达到阈值上限时优化设计结束,从而获得最终的加强筋的分布形式及其截面尺寸.算例表明该方法简单有效,计算量小.     

活塞环/缸套摩擦副表面织构优化设计方法

应用表面织构改善活塞环/缸套摩擦副的摩擦学特性,是改善其工作经济性、可靠性的最有效手段之一。以质量守恒润滑模型与微凸体接触模型为基础,构建面向织构系统的混合润滑模型。在混合润滑模型的基础上,通过选择合适的活塞环/缸套摩擦副性能评价指标,确定优化活塞环/缸套摩擦副性能的目标函数,结合粒子群优化算法,研究一种在活塞环表面对不同深度微凹坑进行优化设计的新方法。基于大量的数值模拟试验可以发现,具有优化织构深度的微织构可以提高活塞环/缸套摩擦副摩擦学性能,提高了承载能力,降低了摩擦力,验证了所提出的织构优化设计方法是可行的。     

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。     

Constrained minimization utilizing GA based pattern recognition of immune system

The immune system has pattern recognition capabilities based on reinforced learning, memory and affinity maturation interacting between antigens and antibodies. The paper deals with the adaptation of artificial immune system into genetic algorithm based design optimization. The present study utilizes the pattern recognition from the immune system and the evolution from genetic algorithm. The basic idea is derived from the fact that designs should be distinguished whether they are usable/feasible or infeasible and should be improved towards the optimal solution. For the expression of design solutions, binary coded strings are used to represent antigens and antibodies in artificial immune system and chromosomes in genetic algorithm. The paper discusses the procedure of constrained optimization that does not rely on any detailed mathematical formulation for constraint handling. A number of mathematical function minimization problems are examined for verification, and practical engineering optimization problems including inequality constraints are explored to support the proposed strategy.     

二维实数编码遗传算法在普通圆柱蜗杆传动优化设计中的应用

蜗杆传动的优化设计属于混合离散变量的非线性复杂优化问题。针对传统二进制编码遗传算法在求解复杂优化问题时计算效率低、过早收敛等缺陷,本文采用二维实数编码遗传算法,对普通圆柱蜗杆传动进行了优化设计,给出了主要参数的选取方法。通过与传统优化结果比较、分析,表明该方法具有收敛速度快、稳定性好等优点,可提高优化效率且实用性强。