基于弹性理论的功能梯度材料管板应力分析

功能梯度材料因其优良的热力学特性,在高温高压、大温差服役环境中的换热器管板制造过程中得到了广泛应用。目前,对功能梯度材料管板应力的求解都是基于弹性理论中的经典板理论求得。为此,利用物理中面概念,将材料的各向异性问题转化到经典板理论中,建立法兰连接且不兼做法兰的功能梯度材料管板的应力分布计算公式及管板危险点应力的求解公式,并采用ABAQUS对其进行压力载荷下的有限元分析,验证理论解的合理性。     

计及不同剪切变形的功能梯度材料梁的弯曲分析

研究矩形截面功能梯度材料(Functionally graded materials,FGM)梁在不同剪切变形理论下的静力弯曲问题。假设FGM梁由金属和陶瓷两种材料构成,其等效物性参数沿厚度方向连续变化,且遵从简单幂率变化规律。基于最小势能原理,建立以轴向位移、横向位移及转角为未知函数的FGM梁的运动微分方程组。对简支FGM梁,采用Fourier级数法获得5种剪切变形理论下FGM梁的挠度、轴向位移及转角曲线,分析梁的长高比、梯度指标对弯曲变形的影响,分析不同剪切变形理论下FGM梁的切应力和正应力的分布特性,并与均质材料梁的静力弯曲特性进行比较。给出FGM梁的中性轴位置随梯度指标的变化曲线并进行分析。     

CNT纤维增强功能梯度复合板非线性建模与仿真

基于一阶剪切变形假设和哈密顿原理建立了碳纳米管(Carbonnanotube,CNT)增强功能梯度板大变形非线性有限元模型,实现了CNT纤维增强功能梯度复合板在发生大变形时的准确计算。该非线性模型不但包含几何全非线性应变—位移关系,还考虑薄板结构法向发生大转角的情形。通过与已有数据对比验证了所建模型的准确性。利用所建模型对四种典型的CNT分布形式,即均匀分布、O型分布、V型分布和X型分布的CNT纤维增强功能梯度复合板进行几何大变形非线性计算和分析,讨论CNT体积分数、CNT分布方式、结构宽厚比和载荷对CNT纤维增强功能梯度复合板的影响。研究表明:随着CNT体积分数的增加,该功能梯度复合板的刚度随之增加;相同体积分数下,X型分布复合板的刚度最大,均匀分布和V型分布次之,O型分布复合板的刚度最小。为CNT纤维增强功能梯度复合板的工程应用提供参考。     

功能梯度材料吸能盒结构设计及优化

传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。     

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化*

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。     

功能梯度斜板的屈曲分析

研究面内荷载作用下功能梯度斜板的屈曲问题.基于经典板理论,假设材料性质为板厚度方向坐标的幂函数,不考虑温度的影响,推导功能梯度板在纵向荷载作用下的平衡微分方程,运用坐标转换关系,建立斜坐标系下功能梯度斜板的屈曲微分方程.采用微分求积法,离散屈曲微分方程,结合边界条件,给出功能梯度斜板在两对边受有均布压力作用下临界屈曲荷载的无量纲数值解.在此基础上,讨论板的几何外形尺寸、夹角、梯度指标以及中面变形等因素对临界屈曲荷载的影响.结果表明:功能梯度板的临界屈曲荷载变化介于相应的均质各向同性板的临界屈曲荷载变化之间;功能梯度材料板的临界屈曲荷载变化随板的相对几何外形尺寸宽长比b/a的减小而减小,随梯度指标κ和夹角θ的增加而减小;中面变形对夹角较小和梯度指标较高的板有较大影响.     

基于材料特征的功能梯度材料CAD模型分层算法

为了利用快速成形技术制造功能梯度材料零件,在分析以往基于设计的功能梯度材料零件计算机辅助设计模型的基础上,提出一种基于制造的功能梯度材料零件计算机辅助设计模型.采用PIC格式存储层片轮廓,存储层片材料分布向量的数据结构为四又树和线性表,材料分布向量精度可调且存储空间可以优化.基于该模型,提出一种新的材料分布向量计算方法,实例证明该方法计算材料分布向量简单.采朋不符合要求的采样点占总采样点百分比λ作为判定依据,比以往判定依据更灵活.基于此削据提出一种基于材料特征的层厚计算方法,实例证明该算法正确、有效.     

功能梯度材料圆柱滚子轴承轴向材料性能优化

为了解决轴承"边缘效应"问题,采用有限元法针对功能梯度材料圆柱滚子轴承滚动体的轴向材料性能对轴承最大等效应力和最大接触应力的影响进行了研究,结果表明:当滚动体轴向材料性能分布合理时,在一定程度上可以降低轴承滚动体的最大等效应力和最大接触应力,降低或避免轴承滚动体"边缘效应",提高轴承承载能力。     

换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用有限元和有限差分法,分析了由ZrO2 和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的瞬态热应力问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明：在计算瞬态热应力场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态热应力场的最重要因素之一。此外,材料组分的分布形状系数 M、环境介质温度和对流换热系数的变化对变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布均有明显的影响。此结果为梯度功能材料的设计和应用提供了理论计算依据。     

功能梯度材料简支板振动模态的有限元分析

概述了功能梯度材料的定义及应用及其力学研究的现状和进展,介绍了有限元法.采用有限元分析软件Hyperworks对四边简支功能梯度材料矩形板进行建模,得出了各阶振动频率,对四边简支功能梯度材料矩形板进行模态分析,并改变长厚比,进行了结果对比分析.     

周期性复合材料微结构的多目标拓扑优化设计

基于多尺度均匀化方法,以组分材料用量为约束,以等效弹性模量矩阵主对角线上分量的加权组合最大为目标,建立周期性复合材料微结构的多目标优化设计模型。利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,实现微结构的构型优化。研究比较微结构网格粗细、材料组分比对不同目标元素优化结果的影响。通过典型算例验证优化模型和优化算法的有效性。     

基于损伤容限设计思想的连接耳片多目标优化设计

飞机结构中连接耳片数量众多,在满足耳片使用寿命前提下,降低其重量对飞机减重具有重要意义.文中以连接直耳片的最小重量和最大裂纹扩展寿命同时作为优化目标,利用遗传算法分别对有、无干涉衬套直耳片进行多目标优化设计,以使耳片在满足裂纹扩展寿命要求的前提下重量最轻.给出不同目标权重下的最优结果曲线,为工程中基于损伤容限设计思想的连接耳片设计提供参考.     

基于区间可能度的区间参数桁架结构多目标拓扑优化

研究区间参数桁架结构在应力和频率约束下的多目标拓扑优化问题,即构建区间参数桁架结构的多目标拓扑优化模型,以各杆截面面积和拓扑逻辑变量为设计变量,结构总质量和结构最大位移上限最小为目标函数,满足单元区间应力可能度、区间频率可能度为约束条件.利用泰勒展开和函数的区间扩张导出应力、位移和频率响应的区间包,采用基于个体排序的Pareto 遗传算法求解其有约束多目标优化问题.两个数值算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和有效性.     

机翼结构优化设计的多目标分布估计算法

提出一种采用贝叶斯网络表示概率模型的多目标分布估计算法( multi-objective estimation of distribution algorithm, MEDA).通过构建这样的网络模型,对模型进行抽样生成新个体,再对新个体进行变异操作,以增加种群的多样性,提高算法的搜索能力.这种生成个体的方法结合非劣分层以及截断选择机制,可以获得很好地逼近多目标问题的Pareto前沿且分布均匀的非劣解集.用MEDA对某高空长航时无人机机翼结构进行多目标优化设计,找到高质量的非劣解集,为设计者作决策提供很好的参考依据.根据所得到的非劣解集,设计者可以很好地进行权衡折衷,找出最符合要求的设计方案.同时,还可以了解各目标之间的变化关系,定量化了解一个目标的改进将导致其余目标恶化的程度.研究表明,多目标分布估计算法可以有效求解复杂结构的优化设计问题.     

基于改进遗传算法的掘进机截割机构的多目标优化设计

掘进机截割机构的综合性能是由截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗、载荷波动及生产率决定的,基于改进的遗传算法,将截割机构的结构参数和运动参数作为设计变量,对截割机构的综合性能进行多目标优化设计。优化结果表明,掘进机截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗和载荷波动都相应有所下降,且生产率有着明显提高,有效地提升了掘进机的整机性能,符合了当今及未来掘进机的发展趋势。     

基于改进粒子群算法的同步器多目标参数优化

为兼顾变速器中同步器更短同步时间和更高寿命的要求,基于牛顿第二定律和粘着磨损理论、M-B分形接触模型分别建立以同步时间和同步器寿命为目标的数学模型,运用理想点法构造评价函数进而建立以二者为目标的多目标参数优化模型,利用层次分析法确定各目标在多目标优化模型中所占权重值,并借助改进粒子群算法对多目标参数优化模型进行优化求解。结果表明:优化后与优化前相比同步时间减少了8%,同步器寿命增加了9%,二者得到较好的改善。改进粒子群算法的使用使同步器性能得到较好的提升,而理想点法的运用有效的避免了多目标优化中大数量级目标支配优化结果的问题。     

独立公理在多目标优化设计中的应用研究

将公理设计理论引入优化设计中,阐述基于公理设计的优化设计思想,提出基于独立公理的多目标优化设计方法.通过确定主要的设计参数,将设计参数按无耦合设计的形式分组,生成函数依赖关系表,依照一定的次序对各目标函数进行优化,并给出基于独立公理的优化设计流程.实例结果表明,该方法简便可行,可为圆柱螺旋压缩弹簧以及其他产品的设计提供一种新的方法.     

螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计研究

螺栓—法兰连接结构是工程中一种重要的连接方式,强度和质量是其主要性能指标。将有限元法与最优化方法结合起来,可以很好地实现螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计。文中基于响应面法确定法兰结构的几何参数组合,利用有限元分析软件Ansys对不同参数组合情况下的法兰结构进行应力场分析,获得响应面模型,然后通过MAT-LAB多目标优化设计方法,计算得到法兰结构的最优几何参数。数值计算结果表明,优化几何参数后的螺栓—法兰结构比原结构最大等效应力下降13.6%,质量下降12.5%。     

随机激励下基于Kriging模型的车辆悬架多目标优化

为改善车辆行驶的舒适性并减小轮胎动载荷对道路的损伤,以某型客车为研究对象,建立多目标优化模型.在路面不平顺激励下,采用虚拟激励法求解车辆悬架随机振动响应,构建Kriging模型,并用求解多目标结构优化的中心法对车辆悬架参数进行优化.算例结果表明,虚拟激励法与Kriging模型相结合,能较好地求解车辆悬架优化问题,具有更好的效率和稳定性.     

基于多目标优化策略的螺旋弹簧可靠性稳健优化设计

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将车辆螺旋弹簧的可靠性稳健优化设计转化为多目标问题.运用层次分析法选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出基于层次分析法的多目标粒子群算法,并将该算法应用于可靠性稳健优化设计的多目标模型求解中.与传统方法相比,该方法简便、易行,并能迅速准确地得到车辆螺旋弹簧的可靠性稳健优化设计信息.