可展开天线中索网结构的形态分析与设计

针对可展开天线这一大跨度索梁组合结构体系,提出了一种可以考虑体系中梁单元影响的天线索网结构形态设计方法。该方法将可展开天线中的索网结构划分为具有确定形状要求的内部索网及与刚性外框相连的边界索网两部分。对于内部索网采用平衡矩阵分析法优化计算出索网中各索段的合理预张力值;对于边界索网则通过跟踪其与天线梁单元连接节点在预张力作用下的位置变化来计入天线刚性外框对索网的影响,并通过对形状变化后的索网进行迭代计算来得到各索段的预张力分布值。依据该文方法编制了相应的迭代计算程序,并通过算例分析验证了上述方法的正确性。     

应用动力单元法进行空间索网结构自由振动分析

索网结构具有成型跨度大而结构重量轻的优点,因此在空间航天领域得到了广泛应用。目前对索网结构的动力学分析主要是采用集中质量法或有限单元法进行低阶模态的分析,这些方法得到的较高阶频率和模态,其精度和实用性都不理想。动力单元法采用含有固有频率的动态形函数作为动力学分析离散单元中的插值函数,该形函数由单元动力学控制微分方程导出,因此能给出比有限元法更高的求解精度。在总结研究动力单元法理论的基础上,推导了张紧索单元的动力单元矩阵。采用动力单元法对几个典型的空间张紧索网结构进行动力学特性的分析,并将分析结果与传统有限元分析结果进行比较。     

空间可展开天线多态结构分析及优化设计

针对空间可展开天线从收拢态到展开态的多个工位,进行了动、静力性能分析并将其结构设计问题归纳为一个优化问题。通过主动件相应自由度的约束考虑了展开驱动的影响,从而可以准确获得展开过程不同工位固有频率的变化规律。进而,建立了以可展开天线单元横截面积和索张力为设计变量,以天线结构最低固有频率、频率禁区以及结构强度为约束,以结构重量(或质量)最轻为目标函数的多态结构优化模型。最终求解得到最优的天线结构设计参数。实验及数值分析结果验证了所建立分析模型的准确性和该设计方法的可行性。     

大射电望远镜FAST整体变形索网反射面仿真研究

针对大射电望远镜FAST的整体变形索网反射面方案的可行性问题,研制开发了一套专门的有限元计算软件,并提出了一个索网反射面拟合旋转抛物面的反馈控制算法。利用有限元计算软件,在索网反射面力学模型上,对反馈控制算法进行仿真实验,以论证该方案的可行性。采用有限元方法对索网进行力学建模和计算,推导了一种适于大范围空间运动的四节点索单元,利用动力松弛法进行三维索结构找形计算。     

巨型射电望远镜索网结构的优化分析与设计

500m口径射电望远镜(FAST)主要以短程线索网作为反射面支承结构。该文通过对三种短程线分型的索网进行对比分析,建议五轴对称分型方法作为优先选择索网分型方案。同时,该文的优化设计工作进一步减少了主索网与圈梁连接节点的种类及数量,并使索网能满足馈源仓检修升级功能。在此基础上,针对现有两种反射面单元自重情况,优化了索网截面和内力水平,讨论了下拉索节点位置精度对索网变位精度的影响,量化了索网变位过程中主索节点的侧偏量。     

基于误差考虑的薄膜反射面裁剪布局优化

静电成形薄膜反射面天线是一种新型天线结构,其反射面形面精度是天线性能的重要指标,深入研究薄膜反射面成形中存在的误差因素并将其分类为原理误差和制作误差,制作误差主要包括拼接误差、粘贴误差和边界误差。基于有限元思想实现反射面成形模拟得到原理误差;拼接误差可通过膜面设计处的转动和径向平移来数值表示;粘贴条近似等效为索单元,设置不同的索应力来模拟膜面粘贴误差;边界误差以裙边索力误差表示。基于上述误差分析提出反射面的裁剪线布局优化模型,分环数目、每环裁剪数目、电压值作为优化变量,反射面的形面精度作为优化目标同时保证膜面不褶皱。优化模型中包含连续变量和整形变量具有高度非线性,传统梯度方法难以找到最优解,因此使用梯度法和遗传算法相结合的优化方法来解决。最后以0.55 m薄膜反射面天线模型为算例来验证优化模型的有效性。     

基于夹层板理论的圆形孔蜂窝结构隔声量研究

蜂窝夹层结构广泛应用于航空航天、船舶、高速列车等交通工具领域。基于三明治等效理论建立了圆形蜂窝结构层芯的等效剪切参数,从而得到简支边界条件下的圆形孔蜂窝夹层板的声振耦合振动模型及传声损失,并在仿真中数值验证了理论模型的正确性。同时基于理论计算,分析了圆形孔蜂窝结构中的层芯胞元半径、层芯壁厚和结构材料对隔声量的影响。由分析可知:层芯半径小、壁厚薄的钢材圆形蜂窝结构具有更好的隔声性能。     

星载可展开网状天线的网面成形与防缠绕设计

由网状反射面和可展开桁架结构构成的大型可展开网状天线是卫星通讯的有效工具。系统介绍了星载可展开网状天线的网面成形设计,并提出了几种有效的网状天线防缠绕设计方案。根据这些设计方法,利用FORTRAN语言编制了抛物面索网的网格优化程序,并成功设计制造了两种不同网格形式的缩比天线模型,进行了初步试验分析,验证了防缠绕设计的有效性,从而能够为类似的可展开网状天线设计提供重要的参考依据。     

大型桁架天线装配精度仿真与代理模型的构建

针对大型桁架天线装配精度的难以预测情况,采用误差等效建模方法建立桁架天线有限元仿真模型,并搭建试验台对仿真模型进行了验证.以仿真结果为基础对影响型面精度的误差因素进行了敏感度分析,通过多元线性回归拟合得到了桁架天线单元体代理模型.采用齐次变换法得到了桁架天线的整体装配误差传递模型.研究结果可为大型桁架天线的零部件设计、...     

悬索结构的初始平衡构型分析

根据悬索悬链线解析表达式推导出悬索长度与索端拉力之间的关系,从而可对悬索进行精确的力学分析以提高求解精度。结合LT中索网主动反射面给出了一种以优化策略求解悬索结构初始平衡构型的方法,该方法以悬索长度为设计变量,引入相应的约束条件,可以解决已知几何形状与边界条件时索网的内力分布问题。数值算例中以单索为例给出了索网主动反射面分析的详细过程。     

瓦楞纸箱结构优化的CAD系统

为了实现瓦楞纸箱的优化结构设计和强度设计,并以图形文字的方式将结果输出给用户,提高瓦楞纸箱的设计效率,建立了瓦楞纸箱结构优化CAD系统,该系统主要包括结构优化、抗压强度设计、图形绘制和数据库查询系统四部分;结构优化以包括包装成本、物流成本、仓储成本在内的整体费用为目标函数,通过优化瓦楞纸箱结构及装载模式,最大限度地降低商品的生产、物流、仓储成本;强度设计能够设计一种定量最小又满足强度要求的瓦楞纸板;图形绘制将结构设计和强度设计的结果以图形的方式表达给用户;数据库查询系统使方便的查找所需箱型资料成为可能.     

随机参数平面连续体结构的频率拓扑优化设计

摘 要 研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构基频约束下的拓扑优化设计问题。以结构总质量均值极小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构基频概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构拓扑优化设计数学模型。利用代数综合法,导出了随机参数结构动力响应的均值和均方差的计算表达式。采用渐进结构优化的求解策略与方法,通过两个算例验证了文中模型及求解方法的合理性和可行性。     

Multi-stage optimization method for air-intake system of hovercraft based on autonomous optimization

Abstract

In this study, an optimal structural design program was designed and developed for Computational Fluid Dynamics based on self-optimization, effectively reducing the time required for structural optimization. Through experimental design using this program, the effects of various design variables on the optimization objectives were evaluated, and an adaptive simulated annealing algorithm was used for global optimization. Furthermore, response surface methodology and a nonlinear quadratic programming algorithm were utilized to obtain a global optimum solution after repeated iterations. Moreover, using a hovercraft air-intake system as the optimized object, the total pressure loss of the system was completely optimized by using a porous medium model and Matlab analysis program, and the accuracy of the structural design optimization program was validated. After the global optimization, the total pressure loss of the air-intake system was reduced by 20.5% compared to the original model. An average nonuniformity of 4.36% of engine inlet speed and 5% local nonuniformity of 11.19% satisfy the design requirements of the hovercraft engine. This method can be directly applied to engineering optimization problems as well as multiobjective optimization tasks after improving the relevant methodologies.     

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。      

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

结构动力鲁棒优化设计方法综述

如何提高结构动力学性能的鲁棒性,以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念,从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例,从结构的动力响应要求出发,采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明,基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案,在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后,对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。     

轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究

分别建立了轴向载荷作用下正置正交薄壁加筋圆柱壳结构优化设计的数学模型和有限元分析模型,应用Ansys软件进行优化计算,讨论了外载荷、材料屈服极限对优化设计的影响,以及结构参数对薄壁加筋圆柱壳结构的临界载荷和屈曲模式的影响。基于有限元分析的研究结论,发展了一种薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,给出设计算例的优化结果,并将两...     

基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计

依赖于传统经验方法的无轨伸缩式门式起重机结构设计往往趋于保守,材料浪费严重,为了充分发挥材料的承载性能,有必要对它进行优化分析。对无轨伸缩式门式起重机结构进行优化设计时,针对非线性接触模型计算不收敛与计算效率低等问题,提出以节点耦合模型代替接触模型来构建响应面近似模型,并将近似模型与多岛遗传算法相结合对结构参数进行优化。以某无轨伸缩式门式起重机各构件截面尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度、自重为模型响应,通过调用Isight平台中最优拉丁超立方设计方法产生设计变量样本点,再由试验设计（design of experiment,DOE）模块调用有限元分析软件ANSYS完成样本点模型仿真以筛选出对响应影响较大的设计变量。利用优选后的设计变量构建响应面近似模型,以结构强度和刚度为约束条件,门式起重机结构质量最轻为优化目标,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明：在保证结构性能的前提下,优化后门式起重机质量减轻23.4%,轻量化效果明显。所提出的优化策略可较快获得全局最优解,减少了计算量,为无轨伸缩式门式起重机结构改进提供了理论依据。     

A Hybrid Method for Structural System Reliability‐Based Design Optimization and its Application to Trusses

Most research studies on structural optimum design have focused on single‐objective optimization of deterministic structures, while little study has been carried out to address multi‐objective optimization of random structures. Statistical parameters and redundancy allocation problems should be considered in structural optimization. In order to address these problems, this paper presents a hybrid method for structural system reliability‐based design optimization (SRBDO) and applies it to trusses. The hybrid method integrates the concepts of the finite element method, radial basis function (RBF) neural networks, and genetic algorithms. The finite element method was used to compute structural responses under random loads. The RBF neural networks were employed to approximate structural responses for the purpose of replacing the structural limit state functions. The system reliabilities were calculated by Monte Carlo simulation method together with the trained RBF neural networks. The optimal parameters were obtained by genetic algorithms, where the system reliabilities were converted into penalty functions in order to address the constrained optimization. The hybrid method applied to trusses was demonstrated by two examples which were a typical 10‐bar truss and a steel truss girder structure. Detailed discussions and parameter analysis for the failure sequences such as web‐bucking failure and beam‐bending failure in the SRBDO were given. This hybrid method provides a new idea for SRBDO of trusses. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑可靠度可信区间的结构可靠性优化设计

 在贝叶斯统计理论和结构可靠性优化设计方法的基础上,研究了结构在小样本情况下考虑可靠度可信区间的结构可靠性优化设计问题.将结构可靠度作为随机变量,根据先验信息和样本信息,采用贝叶斯推断技术获得结构可靠度的概率分布,给出了可靠度的点估计及区间估计.建立了考虑可靠度可信区间的结构可靠性优化设计模型,提出了考虑可靠度可信区间的结构可靠性优化设计方法.所提出的方法为解决小样本情况下的结构可靠性优化设计问题提供了新的解决方案.数值算例验证了所提出的结构可靠性优化设计方法的有效性和正确性.