星载电子设备加筋板优化设计

星载电子设备动力学性能对于卫星工作可靠性具有重要意义。本文以某卫星星载电子设备为研究对象,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法研究了该电子设备机箱加筋板的结构设计。建立了两层实体单元的板结构,以一阶频率最大为目标,通过拓扑优化得到加强筋结构的拓扑分布;之后在拓扑构型基础上,以结构质量最小为目标,一阶频率作为约束条件进行尺寸优化得到加筋板的详细结构。     

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.     

基于拓扑优化的薄板加筋方法研究

针对常规薄板加筋方法中加筋比和厚度比的选取具有一定随意性的问题,通过编程实现最优加筋比和厚度比的选取。鉴于常规加筋方法中设计变量较单一,通过对基板的拓扑优化,将薄板加筋结构中的筋条布局设计跟拓扑优化方法联系起来,使结构中筋条的布局设计问题转化为基板中材料的分布问题,增加了筋条的设计变量。相对于常规加筋方法,拓扑优化指导加筋的方法能够达到减重的效果。     

主动约束层阻尼板结构动力学建模

基于板壳理论、压电理论和粘弹性理论,对由基板层、粘弹阻尼层和压电约束层组成的3层复合主动约束层阻尼板结构的动力学建模进行了研究.在对主动约束层阻尼(active constrained layer damping,简称ACLD)板结构进行有限元划分的基础上,建立7自由度平面矩形ACLD板单元,利用拉格朗日方法建立结构动力学方程.建模过程中利用GHM方法描述粘弹性材料(viscoelastic material,简称VEM)的本构关系,与有限元法结合并极大简化粘弹结构的力学建模问题.对经典算例的计算与仿真表明,提出的建模方法是准确的,ACLD结构能够有效增加粘弹阻尼层的剪切变形,增大振动能量耗散,控制结构振动.     

周期性格栅加筋结构的拓扑优化设计

应用拓扑优化技术研究了蒙皮厚度、加筋高度以及周期性格栅数对格栅加筋结构优化性能的影响。首先分析了不同蒙皮厚度和加筋高度组合下格栅优化构型的变化趋势,发现不同材料用量下具有最佳结构效率的优化结构拥有相同格栅构型。其次比较了周期性格栅数对单层和双层格栅加筋结构优化结果的影响,结果表明随着周期性格栅数的增加,结构优化性能逐渐趋于一个极限值,单刚度目标下周期性格栅数的奇偶性显著影响格栅优化构型,而刚度和频率多目标下周期性格栅数大于7×7后其对格栅优化构型的影响消失。研究结果对格栅加筋结构的格栅构型设计与选择具有指导意义。     

考虑声振耦合下结构阻尼板降噪拓扑优化设计

弹性板-声腔系统声振耦合研究不仅要计算结构-声场耦合的频率以及振型,还要计算耦合后系统对设计变量的灵敏度.本文采用伴随法得到弹性板上节点位移对阻尼层单元的灵敏度,并使用变密度优化方法对阻尼材料敷设位置予以优化.同时,引入Sigmund提出的过滤公式,抑制优化过程中出现的棋盘格现象.分析表明,敷贴约束阻尼层后控制点位置的声压明显减低.与均匀敷贴阻尼相比,阻尼材料敷设位置优化后的结构能有效地抑制声腔内控制点的声压级和减轻结构重量.     

带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计

在ANSYS环境下基于拓扑优化理论,以结构最小应变能为目标,对带式输送机改向滚筒的辐板进行拓扑优化设计。然后基于拓扑优化结果设计辐板,再对其进行尺寸优化,在减轻结构质量的同时也降低结构挠度和均匀化结构应力,为今后带式输送机滚筒辐板的设计提供了理论上的参考依据。     

约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化

为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。     

曲加筋条壁板优化设计研究

针对多设计变量的新型曲加筋条壁板(curvilinearly stiffened panels)优化问题,提出了一种参数化设计方法。该方法以加筋壁板的重量最小为目标,以加筋壁板屈曲、von Mises应力和筋条压损等为约束条件,通过MSC.Patran/Nastran进行参数化建模并获得结构响应,采用非劣分层遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)实施结构优化。为了合理、简洁地描述曲加筋条的几何形状,采用B样条定义曲加筋条的轴线,并取其起点、终点和控制点坐标为位置/形状设计变量。利用单级优化策略,同时对位置/形状变量和包括筋条高度、筋条厚度以及平板厚度在内的尺寸变量进行优化。采用该设计方法,在结构承受面内压缩和剪切载荷以及四边简支的条件下,分别对采用直/曲加筋条的壁板进行了轻量化设计。结果表明,复杂载荷作用下,采用相同数目的曲加筋条能够提高结构效率,实现结构减重。     

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.     

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。     

基于灵敏度数的薄板结构加强筋布局优化设计

提出了一种启发式的加强筋生长设计方法,加强筋从给定初始点出发,沿着使结构性能最优的方向生长和分枝,同时删除对结构性能贡献小的加强筋,逐步形成最优的加强筋布局。设计过程中,以单元的相对密度为设计变量,以单元灵敏度数作为判断加强筋单元生长和删除的准则。使用Python语言编写了基于ABAQUS的优化设计程序,利用ABAQUS进行有限元求解和前处理。为验证所提方法的有效性,以最大化结构整体刚度为设计目标,对几种典型结构进行了加强筋设计,并与现有文献中的设计结果进行了对比。     

带锯机架整体的筋板结构设计与优化

为减小木工带锯机床整体振动,提高加工精度,降低整体质量,对筋板结构建立系统振动数学模型,根据运动微分方程对筋板结构单元进行动态性能和载荷分析,得出最适合该机床的筋板结构类型,并采用三维建模软件对机床机架进行参数化建模。根据实际工况,采用ANSYS对机架整体进行有限元静力学分析。基于静力学仿真结果,采用拓扑优化方法对机架进行轻量化设计,并对机架尺寸提出修改和优化方案。研究结果表明,井字形筋板结构和T字形筋板结构为该机架的最优筋板结构单元,且满足刚度和强度要求;通过轻量化设计使机床整体质量下降16.9%,实现轻量化目标。     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

液压挖掘机动臂内部筋板的拓扑优化设计

分析了液压挖掘机的典型工况及受力情况,并在铲斗挖掘工况下对其动臂进行了有限元计算。针对动臂内部筋板的布局,提出了一种箱型结构内部加强筋的布局优化方法,并基于渐进结构优化方法(ESO),对内部筋板的布局进行了拓扑优化,快速简便地确定了箱型结构内部加强筋的布局。对比优化前后有限元分析结果表明,此方法能够减小结构最大等效应力并减少高应力区。用试验验证了此方法的有效性和实用性。     

不同阻尼层材料对交替层合各向异性阻尼结构动态性能的影响

采用正交试验极差分析方法,研究了各阻尼层对7层各向异性交替层合阻尼结构阻尼性能和刚度的影响大小规律,并在此基础上就不同阻尼层材料对结构性能的影响进行探讨。结果表明：对于7层交替层舍的各向异性阻尼结构而言,对结构刚度影响最大的阻尼层为第4层,对结构内耗值大小与频率范围和温度范围影响最大的阻尼层分别为第2层和第6层;结构内耗的温频特性与各阻尼层材料及其厚度密切有关,一般第2层越厚,其内耗的频率特性越好。     

周期狭长结构拼装模块尺寸效应与构型优化

针对狭长结构拓扑优化过程中存在的计算困难、有中间密度存在和优化构型复杂等问题,提出周期模块拼装方法,并建立混合梁单元模块有限元模型,开展了狭长结构的拓扑优化设计。以承受均布压力载荷的悬臂狭长结构为例,分析比较了不同模块数、不同材料用量以及不同截面梁对优化结果的影响。计算结果显示,采用周期模块拼装策略能获得规则简单易制造的优化构型,周期狭长结构具有尺寸效应且存在最佳模块尺寸来最大化拼装结构刚度。将混合梁单元模型的模块尺寸与拓扑协同优化结合,获得了清晰规则的类桁架构型。最后应用所提方法实现了周期狭长梯形结构的构型优化。