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。     

采用响应面法的复合板结构噪声优化设计

针对复合材料层合板结构出现的噪声问题,将响应面法RSM(Response Surface Method)与遗传优化算法相结合,提出一种降低复合材料层合板声压级的优化方法。该方法基于四边形复合材料层合板结构建立有限元分析模型,通过三因子试验设计点设计试验计划表,结合最小二乘法构建复合材料层合板声压级的2阶响应面近似模型。以影响层合板噪声的显著因子为设计变量,层合板的声压级为设计目标,采用遗传算法对响应面近似模型进行优化,结果表明,使用该方法对复合材料层合板的噪声特性进行分析,可明显提高优化效率并为工程实际提供参考。     

基于支持向量机的卫星动力学多目标优化

针对实际工程中优化大规模结构耗时长问题,采用支持向量机与遗传算法相结合的优化方法。基于支持向量机建立结构近似模型,代替耗时长的有限元分析并应用遗传算法进行结构优化,形成省时、精度高、适应性强的优化方法。以某卫星整星结构动力学多目标优化为例,建立支持向量机近似模型模拟卫星蜂窝板、碳纤维框架结构设计参数与加速度频率响应、应力响应等非线性映射关系,选用二阶响应面模型作对比。计算结果表明,支持向量机与遗传算法组合优化方法不仅能降低耗时成本,且具精度良好。     

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。     

改进的响应面方法在二维连续体形状优化中的应用

在二维连续体结构形状优化中,采用响应面方法近似求解约束的敏度来建立模型:根据结构分析的响应值,可以拟合出复杂响应对设计变量的显函数。为克服各试验点的拟合值与结构真实响应值之间的误差,发展了一种在中心试验点精确拟合的方法,提高了模型的精度,收到了良好的效果。     

基于近似模型的大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应预测研究

针对电磁力作用下大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应建模及计算复杂问题,提出一种基于数据驱动的支持向量回归动力响应预测方法。通过少量典型样本构建某600 MW汽轮发电机动力响应近似模型,从而代替复杂耗时的有限元模型预测不同结构参数下的动态性能。以端部绕组鼻端位移峰值作为动力响应的关键指标,首先选取绑环刚度、径向支架刚度以及滑销和径向支架之间的固定约束数目为设计变量,通过正交试验设计获取样本,在ABAQUS软件中分别建立试验样本对应的有限元模型,再对其进行计算获得鼻端位移时程曲线;然后通过遗传算法对支持向量机中的参数寻优构建端部绕组动力响应的近似模型,对比结果显示,该近似模型精度优于基于响应面法和克里金插值法构建的预测模型;最后基于近似模型探讨了设计参数对鼻端位移峰值的影响规律。该方法可用于后续的优化设计以及装备数字孪生系统中电气和力学性能的实时求解与计算。     

区间参数结构动力优化的改进方法

针对区间参数结构,提出一种改进的动力响应的区间优化方法。由于区间优化问题一般要比确定性优化问题的求解复杂得多,因此,通过优化结构动力响应区间值的上界,将区间优化问题转化为近似的确定性优化问题。为了得到结构动力响应更加准确的区间值,把结构动力响应Taylor展开式中的一阶导数也看成区间的,这样得到的区间值能近似包含精确值。在区间优化方法中,设计变量的中值和半径都被选为优化变量,可以得到比传统确定性优化方法更多的优化信息。把该方法应用于典型刚架结构,优化结果表明,区间优化方法不仅能得到与传统优化方法大致相当的设计变量最优值,还能得到实际问题中当设计变量取不到最优值而有微小变化时,目标函数值的一个变化范围。     

基于响应面法的刀口金属密封结构优化设计

以有限元数值模拟为手段,通过一阶响应面建模,确定了满足密封判据的刀口金属密封结构设计参数的范围。采用均匀设计,建立了以设计参数为变量,以有效密封面宽、最大接触应力为响应的二阶响应面模型,并利用多目标优化方法和遗传算法,对响应面模型进行了优化求解,得到了优化的设计参数组合。有限元验证结果显示,优化后的密封结构具有更好的密封性能。     

基于自适应响应面法的膨胀式吸能结构耐撞性优化设计

借鉴多道次渐进成形方法,提出一种膨胀式吸能新型顶杆。保持锥形顶杆最大直径不变,在锥形顶杆区域添加定径段,将一次高膨胀率的膨胀过程变成多次低膨胀率膨胀过程。以不同膨胀角下的锥形变形区数量和定径段长度为设计变量,有限行程下的能量吸收为目标,采用全因子试验设计方法,基于移动最小二乘法建立的近似模型,进行基于响应面法优化设计,得到不同角度下膨胀式吸能顶杆的最佳方案。结果表明,近似模型的拟合精度较高,采用该模型的优化方案可提高膨胀式吸能管的耐撞性能。优化的临界角度为20.782°,误差小于0.313°。     

基于神经网络响应面的复合材料结构优化设计

用正交试验设计的方法选择样本点构建神经网络响应面,将神经网络响应面作为优化的目标函数或约束条件,加上其它常规约束条件建立优化模型,应用遗传算法 (GA) 进行优化,形成一套适用于复杂结构设计的高效优化方法。以复合材料帽型加筋板的重量优化问题为例,建立了加筋板模型的重量响应面目标函数、强度和稳定性响应面约束条件;并用PATRAN/NASTRAN进行有限元计算,获取用于响应面训练的样本点数值。算例表明:该方法能以很少的有限元分析次数,取得高精度的响应面近似模型,并且使优化效率大大提高。      

水下圆柱壳声学代理模型优化设计

为了提高水下结构声学计算的效率,采用有限元软件进行水下圆柱壳结构声辐射分析,建立声学分析近似代理模型,给出壳体结构几何尺寸与水下声辐射特性的显式解析表达式,简化声学计算,建立高效的结构声学优化设计模型。利用拉丁超立方取样方法进行样本点的选取,分别采用多项式响应面法、Kriging函数和径向基函数法构造水下双层圆柱壳结构的声辐射代理模型。通过比较三种代理模型的拟合精度,选择三种代理模型建立双层圆柱壳结构水下声辐射优化设计模型,并采用Matlab进行尺寸优化,减轻了结构质量。该研究为水下结构声辐射预报和声学设计提供参考。     

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。     

双轴联动进给系统多目标优化设计与研究

为提高机床的加工精度,降低零件加工误差,以双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差为优化目标,开展双轴联动进给系统的多目标优化设计与研究。首先,在前期研究的基础上,设置优化初始条件,并利用Box-Behnken方法获得试验样本点;其次,基于所建立的双轴联动进给系统的机电耦合动力学模型开展样本点运动轨迹仿真分析,得到轮廓误差和单轴跟踪误差数据,并采用灵敏度分析法获得对设计目标影响程度较大的设计变量;然后,基于仿真得到的数据,利用含交叉项的二次多项式拟合方法构建设计目标对设计变量的响应面模型;最后,利用NSGA-II （non-dominated sorting genetic algorithm-II,非支配排序遗传算法II）对双轴联动进给系统进行优化,得到双轴联动进给系统的Pareto最优解集,按照目标优先顺序从该解集中寻得最优解。从仿真结果可知,双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差均明显降低,降幅超过30%,优化效果明显。该方法可为多轴联动进给系统的优化提供参考。     

灰色关联及熵权法对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性优化设计

为改善和提升汽车的轻量化和耐撞性,针对碳纤维增强树脂基复合材料特性提出一种基于灰色关联分析与熵权法结合的复合材料防撞梁结构的设计策略。建立了考虑整车实际工况的数值简化模型,并通过碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验确定了T300碳纤维/5113环氧树脂复合材料的材料力学性能,为碰撞工况下碳纤维增强树脂保险杠防撞梁模型计算提供真实准确的材料参数。基于正面碰撞仿真模型,采用哈默斯雷试验设计方法确立60组样本点建立了设计变量与响应之间的关系,采用熵权法求出各响应指标的权重值,结合灰色关联分析对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性和轻量化进行优化设计,获取防撞梁结构的最优尺寸参数组合,确定优化方案。研究结果显示,与初始防撞梁相比,优化方案吸能量峰值提高了11.4%,峰值力降低了48%,质量减少了56.5%。该方法在满足安全性指标的前提下实现了汽车轻量化优化设计。      

基于多目标遗传算法的实验目标车底盘结构优化

在实际道路上开展实验目标车碰撞试验是智能汽车开发过程中的重要测试手段之一.为保证智能汽车的安全性,实验目标车的底盘必须具有抵抗较大碾压冲击的能力.由于实验目标车底盘的碾压过程涉及接触非线性和几何非线性等问题,仅基于仿真分析对其进行结构设计和优化存在较大困难.为此,首先采用显式非线性有限元法对实验目标车底盘的抗碾压性能进...     

Frame weight and anti-fatigue co-optimization of a mining dump truck based on Kriging approximation model

In order to reduce frame redundant weight caused by the traditional experience design and delay the crack initiation occurrences at local positions during early service period, a structural weight and lifetime co-optimization method for frame of a mining dump truck based on Kriging approximation model was proposed. Considered as the most sensitive factor to the frame fatigue life and weight, the thickness of several steel plates was chosen as design variables in terms of un-allowed change of structure shape, while achieving weight reduction and improving fatigue life were together regarded as the optimization targets. An experiment design with 20 sample points obtained by the Latin hypercube sampling method was conducted to figure out the sensitivity of design variables, whose response values were acquired through repeated simulations. Those data were supposed to set up the approximation model constructed based on the Kriging interpolation technique and its fitting precision was certified by comparison of the finite element computational results and the approximation model calculated ones. The non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) was utilized to optimize the thickness of the steel plates based on the approximation model. The tolerance between the results of the simulation and the approximation model was less than 1% when using the optimal design variables and the weight of the optimized frame was lessened by 22.3% while the minimum fatigue life and maximum static stress were only decreased by 3.8% and 4.6%, compared with the initial frame. These optimized results were acceptable for frame lightweight almost without expense of fatigue life and static strength.     

UUV耐压结构多目标优化设计

UUV(unmanned underwater vehicle,无人水下航行器)在海洋民用与军事领域具有广阔的应用前景。UUV耐压结构作为影响UUV负载能力及保障UUV航行任务安全高效执行的重要部件,其优化设计有重要意义。为了最大程度地实现减重目标,有效平衡耐压结构质量、结构强度和稳定性之间的矛盾,进而提升UUV综合性能,提出一种基于组合加权响应面法的多目标优化方法。通过试验设计得到初始采样点,利用有限元工具计算响应值并构建代理模型;然后,以折衷规划法对子目标进行归一化处理,采用组合加权法设定子目标权重系数,以进行耐压结构的多目标优化设计。以某型UUV为例,利用所提方法对其梯形肋骨耐压结构进行多目标优化设计,优化后耐压结构质量减轻了6.6%,肋骨应力下降了6.7%,同时满足稳定性要求。在此基础上,分别以质量为优化目标和以质量、结构强度和稳定性为综合优化目标,对不同肋骨形式耐压结构进行优化设计。结果表明:梯形肋骨耐压结构的综合优化效果最佳。该研究方法适用于UUV耐压结构的多目标优化,研究结果可为UUV耐压结构优化设计提供理论指导,具有实际工程意义。     

Simultaneous partial topology and size optimization of a wing structure using ant colony and gradient based methods

This article presents a methodology and process for a combined wing configuration partial topology and structure size optimization. It is aimed at achieving a minimum structural weight by optimizing the structure layout and structural component size simultaneously. This design optimization process contains two types of design variables and hence was divided into two sub-problems. One is structure layout topology to obtain an optimal number and location of spars with discrete integer design variables. Another is component size optimization with continuous design variables in the structure FE model. A multi city-layer ant colony optimization (MCLACO) method is proposed and applied to the topology sub-problem. A gradient based optimization method (GBOM) built in the MSC.NASTRAN SOL-200 module was employed in the component size optimization sub-problem. For each selected layout of the wing structure, a size optimization process is performed to obtain the optimum result and feedback to the layout topology process. The numerical example shows that the proposed MCLACO method and a combination with the GBOM are effective for solving such a wing structure optimization problem. The results also indicate that significant structural weight saving can be achieved.