空间桁架结构优化设计

为获得空间桁架结构的合理构型,以某空间设备支撑结构为例,分析结构材料在设计空间的分布形式和桁架结构的传力路径。在已知载荷约束和设计空间大小的条件下,基于连续体拓扑优化方法,以静态多工况刚度和动态固有频率为多目标函数进行优化分析。依据设计要求确定计算模型的结点数和结点位置,获得满足要求的空间桁架结构并进行优化设计。优化结果比原模型质量减少36.7%,一阶模态提高3.6%。     

考虑间隙运动副的桁架单胞等效建模与分析

本文主要研究了含间隙运动副桁架单胞的等效建模方法.主要考虑了桁架单胞的等效刚度问题以及阻尼问题.首先从间隙铰链开始研究,提出全面的铰链模型;其次提出用位移法将桁架单胞等效成板,即把桁架单胞看成是由梁元组成的钢架结构,运用平面钢架位移法得出桁架单胞的等效刚度矩阵,进而得出结构的整体固有频率和等效后的板的刚度矩阵.最后用有限元软件ANSYS对单胞结构在不同边界条件下进行了模态分析,将在自由边界条件下的固有频率和解析得出的频率做了对比,发现二者有很好的吻合度.结果表明由于间隙运动副的存在,使得桁架单胞结构的刚度降低,柔性增强.     

航天器大型空间桁架结构变形监测方法研究

大型空间桁架结构在航天器上有着广泛的应用;由于其具有质量轻、刚度低、阻尼小等特点,在受到扰动时可能发生振动和变形,影响载荷的正常工作甚至危害航天器的安全;以大型空间桁架的整体结构作为研究对象,对桁架结构的变形监测方法进行了研究;基于逆有限元提出了一种适用于桁架结构的变形监测方法,该方法以传感器测得的结构应变为基础重构桁架结构的变形;利用有限元仿真对该方法进行了验证,同时研究了在应变值存在误差的情况下形变重构的精度;结果表明,在应变值具有±5%的随机噪声时结构形变重构的误差优于±3%;该方法有较高的变形重构精度,对于航天器桁架结构的变形监测有重要的指导意义。     

某TMA遥感器桁架支撑结构动态特性研究

空间遥感器中,支撑结构是保证光学元件结构位置精度及成像质量的关键.为了提高支撑结构的设计性能,确保结构的稳定性,利用CAE技术考核动态特性是遥感器研制过程中的一个重要环节.利用有限元平台,运用大质量法,建立了某TMA遥感器桁架支撑结构的动力学模型,进行了动态特性的仿真分析.依据动态特性仿真结果,发现了支撑结构中的薄弱环节,并进行了优化设计.仿真分析结果表明,优化后的遥感器桁架支撑结构固有频率明显提高,第一阶固有频率达到122.1Hz,保证了遥感器桁架支撑结构在外界动态载荷作用下的动力学响应.     

点阵多孔金属夹芯板振动特性分析及优化设计

采用空间桁架结构分析的网架结构连续化方法对点阵多孔金属夹芯板的夹芯层桁架进行了连续化处理,即,将夹芯层桁架等效为连续介质,并分别推导了金字塔型、四面体型、kagome型和4杆型点阵多孔金属夹芯板的抗弯刚度和等效剪切刚度．然后,应用分解刚度法推导了四边简支条件下点阵多孔金属夹芯板的固有振动频率公式,并与有限元计算结果进行了对比,表明所得公式具有较高的精度．最后,研究了夹芯板单胞结构尺寸对固有振动频率的影响,以夹芯层高度和桁架杆截面尺寸为设计变量,以第一阶频率最大化为目标对夹芯板进行了优化,优化后的夹芯板振动频率得到了明显提高．     

基于负刚度结构的低频速度传感器的设计与分析

实现低频速度传感器的低频扩展在精密减振领域有着重要的意义，本研究提出基于负刚度结构的低频速度传感器，负刚度结构由两组电磁弹簧组成，采用正负刚度并联原理以实现传感器的低频扩展。首先采用安培电流模型建立电磁弹簧数学模型，分析参数对电磁负刚度特性的影响规律并提出负刚度结构优化策略，另外通过调整负刚度结构中线圈电流大小实现传感器固有频率可调。通过数值仿真分析负刚度的非线性影响以及在不同激励幅值和激励频率下传感器的低频响应特性。结果表明负刚度非线性影响可以忽略，当负刚度结构通入电流为0.9A时，传感器固有频率为4Hz，而在通入电流为1A时，传感器固有频率为1Hz，有效地降低速度传感器的测量下限。     

大型空间环型天线结构动力学分析

本文对大型空间环型天线结构振动的基本形式进行研究,选择边界条件为伸展臂与桁架结构连接面的固定约束.网格划分采用四面体单元与六面体单元结合的方法,杆件体结构规则采用六面体单元格,刚性连接处由于结构复杂采用四面体单元格.前四阶模态分析结果表明天线存在扭转振动、弯曲振动、横摇振动、呼吸振动等四种基本振动形式.研究了材料参数和边界条件的选取对振动模态和固有频率的影响.所得结果能为结构非线性动力学分析中模态函数选取和共振形式的分析提供重要参考.施加简谐激励研究大型空间环型天线稳态受迫振动响应,该结果对于预测结构的动力学特性以及避免共振具有重要的指导意义.     

空间桁架结构的优化配置及振动控制研究

为抑制空间柔性桁架结构的低频振动,采用压电杆件进行优化配置实现桁架结构的振动主动控制;建立了空间桁架结构主动压电杆件的机电耦合模型,利用ANSYS前处理功能编制了压电桁架的机电耦合有限元程序;将可控性度量指标与逐步消减法相结合,实现了空间桁架结构主动杆件的优化配置;对结构进行初始位移扰动、正弦激励以及随机激励,并采用最优模态控制算法进行振动抑制仿真分析,对上述方法进行验证且建立振动控制评价指标进行评价;结果表明将可控性度量指标与逐步消减法相结合的方法可有效抑制空间柔性桁架结构的振动。     

某SUV车架多目标拓扑优化设计

为得到同时满足刚度和动态要求的SUV车架,基于SIMP材料插值方法,分别以刚度最大和低阶模态固有频率最大作为优化目标建立拓扑优化模型,利用折中规划法建立多工况下刚度和低阶固有频率多目标优化模型,通过拓扑优化迭代得到新的SUV车架;对新车架进行仿真分析,得到其位移和应力分布及前4阶固有频率.其静态特性满足材料要求且有很大提高,第1阶固有频率提高到30.3 Hz,新车架质量减轻到193.3 kg.计算结果表明该方法能够很好地解决多目标下的结构优化问题。     

FSC方程式赛车单体壳车架设计

车架质量占赛车整车质量的比例很大,其在轻量化方面存在可优化空间。利用CATIA设计一种钢管桁架结构和单体壳结构的复合式车架,在HyperMesh中建立有限元模型,对车架的单体壳部分进行尺寸优化,确定不同区域层合板的最佳厚度,最终得到的车架质量为21.8 kg,扭转刚度为4 057 N·m/(°),较纯钢管车架减重约5 kg,刚度提高约1倍,满足设计目标。     

汽车空气滤清器的模态分析及结构优化

汽车空气滤清器的表面板壳非常薄,高速气流从进气系统流过时将激励薄板结构产生振动,进而辐射出强烈的噪声,提高滤清器结构动态刚度是减小辐射噪声的有效途径,但刚度的提高通常伴随着质量的增加,实际中希望以最低的结构质量获得最大的动态刚度.针对上述问题,建立了空气滤清器的有限元模型,对其进行了模态分析.从前4阶模态分析结果找出了滤清器上下壳体的薄弱环节,然后通过调节上下壳体壁厚及合理布置加强肋的方法进行结构优化.经优化得到了一种壳体壁厚为3.5mm,加强肋厚度为2.5mm的结构优化设计方案.分析结果表明,滤清器的基频从157.1Hz提高到188.7Hz,提高了20.1％.模态测试表明,结构1阶固有频率为184.4Hz,有限元分析误差为2.3％,优化后的结构提高了低阶固有频率,降低了辐射噪声.     

飞行器空气舵系统的高效刚度分配优化方法研究

空气舵系统是飞行器典型操纵部件,其伺服作动器、连杆、摇臂、舵轴和舵面等子结构对空气舵系统的整体刚度有着不同程度的贡献,合理分配各子结构的刚度,可使空气舵系统的整体刚度得到进一步优化.本文提出了一种基于多体系统传递矩阵法和遗传算法相结合的空气舵系统高效刚度分配优化方法.首先,基于多体系统传递矩阵法建立了以结构尺寸和材料属性为参数的高效结构动力学计算模型,仿真结果表明,基于该计算模型所预测的空气舵第一阶俯仰模态固有频率与商业软件计算结果的误差仅为1.06%.其次,基于本文建立的高效结构动力学计算模型对各子结构刚度对空气舵系统动力学特性的贡献进行了灵敏度分析,给出了各部件对系统固有频率贡献的规律.最后,采取将遗传算法和多体系统传递矩阵法相结合的思路,以所建立的空气舵高效结构动力学模型为适应度函数,各子部件尺寸作为待优化变量,空气舵系统整体质量为约束条件,对空气舵系统各个子结构的刚度分配进行了优化.优化结果表明,在保持空气舵系统整体重量不变的条件下,可将空气舵系统第一阶俯仰模态固有频率提高约15.8%.     

基于有限元分析的某轿车白车身轻量化设计

为了减轻某款SUV车型白车身的质量,建立了其三维数字模型,通过网格划分处理后得到了其有限元模型。对上述模型进行了动态分析和静力分析,得到了该其前六阶固有频率及刚度值。以得到的固有频率以及刚度值为依据采用单目标尺寸优化的方法对白车身的重量进行减重优化,并且将优化后的结果和优化前进行对比。结果表明通过优化白车身减重23.1kg,减重比例达5.31%。并且保证了模态频率值和刚度值在车身设计要求范围内,在不降低白车身安全性能的前提下实现了减重的目的。     

开孔变截面微悬臂梁传感器的等效刚度和固有频率

研究新型开孔变截面微悬臂梁传感器的等效法向刚度及其对固有频率的影响.首先,考虑微梁纵截面孔洞结构引起的弯扭耦合效应,利用二次积分法获得在自由端集中载荷作用下悬臂梁的挠度,基于弹性材料的Hooke定律建立了微梁等效法向刚度分析的解析模型.然后,采用Rayleigh法获得了微梁的固有频率.最后,通过比对实验结果和有限元结果对解析模型进行了验证.研究表明:解析模型对于开孔变截面微梁刚度和频率的预测和标定具有较好的精度;微梁的等效刚度和固有频率与跨宽比负相关,却与内外宽度比正相关.有关结论可为新型变截面微纳机械传感器的设计提供理论依据和参考.     

桁架结构振动的主动模糊控制中主动杆数目与位置优化

研究了采用自适应模糊控制器抑制桁架结构振动时的主动杆数目与位置优化问题.通过定义输入能量相关矩阵优化了主动杆的数目.基于主动杆的控制能量配置准则,给出了主动杆优化配置的模型.研究基于整数编码的遗传算法用于大型离散体中的作动器组合优化问题.最后针对挠性空间智能桁架结构的振动控制仿真,使用基于整数编码的遗传算法(GAs)优化主动杆位置.结果表明对于采用自适应模糊控制律的离散体结构振动控制是行之有效的.     

3D打印模型节材优化

针对3D打印材料费用昂贵问题,提出一种改进的蒙皮-桁架结构快速构建与优化方案,使打印模型的体积在满足产品物理机械性能、受力平衡性、自平衡性和可打印性等多约束条件下实现最小化,达到节省打印耗材、降低成本的目的.利用网格简化策略快速构建表层桁架结构,与原始网格模型在拓扑上保持相似性,避免桁架与蒙皮之间的冲突;基于实验分析,提出无内节点的内部桁架构建方法,可大幅缩短整体优化时间,且可在保证满足力学约束条件下获得更优的节材效果;将力学准则法与粒子群优化算法有机结合,利用满应力法计算桁架结构的支杆半径作为优化算法的初始值,提高算法在全局范围内搜索最优解的能力和效率,实现桁架结构支杆截面尺寸与系统拓扑结构协同优化的目标.实验结果表明,该方法健壮、有效,具有成本优势和效率优势.     

交变力作用下的可见光探测器结构设计

在可见光探测器结构优化设计问题的研究中,为保证可见光探测器在交变力作用下的成像精度,设计了一种新型可见光探测器结构.通过材料选取和结构的设计,提高了可见光探测器的整体刚度.建立有限元模型,分析计算了结构在载荷作用下的变形量,用以检验所设计的可见光探测器结构的刚度性能;对模型进行了模态分析,可验证结构固有频率远离系统成像帧频,能够避免因共振引起的成像质量下降.最后,通过设计实验的方法来验证可见光探测器结构的刚度性能及沿Y方向的固有频率.实验结果表明可见光探测器设计方案满足各项指标要求.     

基于OptiStruct的望远镜主框架拓扑优化设计

针对某航空望远镜主结构的重量过高的问题,提出了对航空相机望远镜主框架进行拓扑优化设计的方法.基于拓扑优化理论,在重力过载的工况下对望远镜主框架拓扑优化,以整个框架作为设计变量,以框架的体积分数和固有频率作为约束条件,选结构的柔度最小化为目标函数,建立拓扑优化模型.采用MSC.PATRAN/NASTRAN软件对航空望远镜拓扑优化结果进行仿真,分析结果表明,结构的重量减少了77%,结构静态刚度提高,动态刚度符合要求,温度变化环境下光学成像条件改善.     

MEMS高g加速度传感器固有频率的优化及验证

由于设计的MEMS高g加速度传感器固有频率低,导致测试过程中出现谐振现象。本文分析了传感器的特殊结构参数对固有频率的影响,提出了一种优化固有频率的方法。该方法通过减小质量块质量和优化梁厚度与长度的比例来调整传感器的固有频率,并通过理论仿真验证了该结构的固有频率从330 kHz提高到550 kHz,然后利用动态测试系统对优化前后的高g加速度传感器分别在20 000gn和150 000gn作用下测试输出信号。实验表明该优化方法提高了该类传感器结构的固有频率,明显消除了测试中的谐振现象。     

粒子群优化算法在桁架结构优化中的应用

介绍了粒子群优化（PSO）算法的一种改进算法：用于约束优化问题的启发式粒子群优化（HPSO）算法。针对HP-SO算法在桁架结构优化中速度较慢的问题,将HPSO算法的约束处理策略与另一种适用于粒子群算法的约束处理方法结合,并将改进后的算法应用到1个桁架结构截面优化设计算例中,同时与HPSO算法进行对比分析。对于此算例,改进算法和HPSO算法都运行了多次,从多次运行的统计分析中可以看出,改进算法的优化效果和稳定性好于HPSO算法,且结构分析的次数减少了一半左右,从而整个程序运行的速度比HPSO算法提高了将近一倍。