质量对结构优化理性准则法计算结果的影响研究

在结构优化中,质量作为设计资源能改善结构性能,但质量会引起自重与惯性载荷等问题,因而质量还会导致结构性能劣化。虚功准则方程组忽略了载荷对设计变量的导数,不能考虑质量导致结构性能劣化的一面。对于航空航天器、高速运行的车辆、机械和高精度天线等以自重和惯性载荷为主的工程结构,这种忽略导致虚功法得到的解与最优解相差甚远。导重法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果较虚功法大幅提高。但对于考虑自重载荷的三杆、五杆桁架等简单结构优化问题,虚功法也可以得到与导重法相同的最优解计算结果,从拉格朗日条件出发解释该问题,给出考虑载荷对设计变量的导数时虚功法也可求得最优解的条件,这对于结构理性准则法及其工程应用的深入研究均具有重要理论与实践意义。     

影响结构优化理性准则法优化效果的关键问题研究

深入仔细分析决定理性准则法优化效果与优化效率的关键问题——准则是否准确和迭代计算是否收敛。首次提出：在结构优化中,重量作为设计资源除有改善结构性能的一面之外,还会有作为载荷导致结构性能劣化的矛盾的另一面。虚功准则方程组忽略载荷导数,无法考虑重量矛盾作用的另一面,这种忽略不能视为合理近似。因为对于航空航天器、高精度天线和高速运行的机械、车辆等以自重和惯性载荷为主的一大类工程结构,这种忽略导致虚功法,得到的解离最优解相差甚远。导重准则法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果大幅度提高。理性准则法最后归结为非线性准则方程组的迭代求解,由于工程结构优化的准则方程组难以满足其严格的收敛条件,而可采用步长因子法求解,可以证明使迭代收敛的步长因子一定存在,并可给出步长因子理论取值范围和实际取值方法。以十杆桁架考题和两个天线结构优化为例验证了以上论点。     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

基于敏度阈值拓扑优化方法在飞机加强框设计中的应用

为了能够有效地降低飞机结构承力件的重量,针对飞机骨架,以加强框的概念设计为研究内容,通过对“敏度阈值”概念的分析,指出其不足,提出了“改进的敏度阈值”概念,并与“约束补偿”策略结合而形成新的拓扑优化算法,用于加强框的材料布局设计．多个算例中的拓扑优化结果均显示其结构型式十分新颖,值得深入地探讨．     

An sequential optimization and aeroelastic constraint transformation method for strength-aeroelastic comprehensive design

With the development of modern aircraft technology, aeroelasticity plays a more and more crucial role in aircraft structural design. However, low efficiency of present aeroelastic analysis and optimization methods makes it difficult to apply in engineering practice. This paper presents a sequential optimization and aeroelastic constraint transformation method (SOACTM) for comprehensive design of airplane wings with strength and aeroelastic constraints. Optimization with structural strength constraint and aeroelastic constraint is transformed into a serial of cycles of decoupled structural strength sub-optimizations and aeroelastic sub-optimizations based on sequential optimization strategy. In structural strength sub-optimization, structural strength constraint is translated along its normal direction to make optimal design point satisfying aeroelastic constraint. And the goal of aeroelastic sub-optimization is to find the translational distance of structural strength constraint. Aeroelastic constraint is transformed to equivalent structural strength constraint via above approach. In this way, number of aeroelastic analyses in SOACTM is less than that in traditional optimization method and total computational time decreases. SOACTM is verified based on two examples. Traditional optimization method is applied for the sake of validation. The results demonstrated the accuracy and efficiency of SOACTM for wing comprehensive optimization considering both structural strength and aeroelastic constraints.     

一种三维结构拓扑优化设计方法

采用传统的渐进结构优化方法进行复杂三维结构拓扑优化设计的迭代过程中,常在一些迭代步,结构上会出现少量小的孤立体,从而使得结构奇异,以致结构拓扑优化迭代无法进行,为了解决这个问题,首先,采用沿结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的措施,将结构拓扑优化模型近似等效地转变为一个非奇异结构拓扑优化模型,然后,针对各向同性和拉、压特性不同的所有材料结构,提出了一种三维结构拓扑渐进优化方法和相应的算法,最后,给出了几个典型和复杂的三维结构的拓扑优化设计算例．算例表明该方法是正确和有效的,且具有广泛的工程应用前景．     

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30$\sim$70km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.      

铝-镁合金5A06在瞬态热冲击条件下的力学性能研究

通过热强度试验,测试并确定航空航天材料在复杂高速热冲击条件下的强度极限等关键参数,对于航空航天材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及高速飞行器的安全设计具有重要的意义。针对强度设计手册中没有航空航天材料在高速热冲击环境下的强度极限等表征参数的现状,使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对铝-镁合金材料5A06在多种不同的瞬态热冲击条件下,进行气动加热模拟与热载联合试验研究,得到在瞬态热、力学环境的共同作用下铝-镁合金5A06材料的强度极限、承载时间等力学性能变化状况。为研究分析航空航天材料和结构在高速热冲击环境下的承载能力和结构减重提供了可靠依据。     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

Aerothermal dynamic failure of infrared window in high-speed aircraft

红外罩材料包括红外罩增透保护膜和基底材料, 是高速导弹结构--功能一体化的关键部件, 应用极为广泛. 但是, 红外罩材料通常工作于恶劣的外界环境下, 处于复杂的热力混合作用状态, 可能导致窗口失效, 因此对红外罩材料热力响应和失效的研究具有重要的科学研究价值和工程实际意义.本文针对高速飞行器环境下红外罩材料的气动热力失效机制, 从典型材料的特性及制备、气动热力响应机理及分析、红外罩材料的结构性和功能性失效等方面总结相关学者的研究成果, 并对今后的发展趋势进行展望.     

非线性连续体拓扑优化方法综述

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能, 为设计人员提供多样性的创新性设计, 近年来得到了快速发展. 该领域在线性问题上发展已经较为成熟, 已经成功应用到很多工程结构的高性能设计. 但实际工程中会涉及大量非线性问题, 如果将其近似为线性问题, 往往会产生较大误差, 甚至得到错误的结果, 可能会导致重大的工程安全事故. 在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下, 非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展. 本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法, 并对现有典型方法进行讨论和评述. 最后, 指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向. (如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等). 本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理, 同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.      

Concurrent multi-scale design optimization of composite frame structures using the Heaviside penalization of discrete material model

This paper deals with the concurrent multi-scale optimization design of frame structure composed of glass or carbon fiber reinforced polymer laminates. In the composite frame structure, the fiber winding angle at the micro-material scale and the geometrical parameter of components of the frame in the macro-structural scale are introduced as the inde-pendent variables on the two geometrical scales. Considering manufacturing requirements, discrete fiber winding angles are specified for the micro design variable. The improved Heaviside penalization discrete material optimization inter-polation scheme has been applied to achieve the discrete optimization design of the fiber winding angle. An optimiza-tion model based on the minimum structural compliance and the specified fiber material volume constraint has been estab-lished. The sensitivity information about the two geometrical scales design variables are also deduced considering the char-acteristics of discrete fiber winding angles. The optimization results of the fiber winding angle or the macro structural topology on the two single geometrical scales, together with the concurrent two-scale optimization, is separately studied and compared in the paper. Numerical examples in the paper show that the concurrent multi-scale optimization can fur-ther explore the coupling effect between the macro-structure and micro-material of the composite to achieve an ultra-light design of the composite frame structure. The novel two geometrical scales optimization model provides a new oppor-tunity for the design of composite structure in aerospace and other industries.     

涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究

涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应,显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性,具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力.但是,该设计方法的研究尚不完善,特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,因此其高低速气动特性均有优化设计的空间.针对此问题,本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法.基于上述方法,针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究,获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析.结果表明,相较于初始构型,宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时,显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应,进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上,改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.     

FUNDAMENTAL FREQUENCY MAXIMIZATION DESIGN FOR CONTINUOUS FIBER-REINFORCED COMPOSITE STRUCTURES 1)

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.     

考虑车辆高速和低速耐撞性的多目标优化设计

<正>面高速耐撞性设计,需确保车内乘员的人身安全,使车内乘员的人身伤害降到最低;正面低速耐撞性设计,要求尽量减少车辆在碰撞中的损伤,使车辆具有良好的碰撞损伤修复经济性。本文根据上述特点,将车辆的正面高速耐撞性与正面低速耐撞性相结合,并且考虑车身部件的轻量化,提出了一种优化设计方法。该方法将保险杠、吸能盒内外板以及前纵梁内外板五个部件厚度作为优化设计变量,在正面低速碰撞中,以前纵梁吸收的碰撞总能量作为其是否发生较大变形的依据,利用代理模型和遗传算法进行了优化计算。最后,将该方法应用在某一车型的耐撞性设计中。     

复合材料框架结构刚度几何双尺度优化设计

航空航天结构对超轻质大跨度框架类结构提出了迫切的需求,考虑纤维增强复合材料框架结构宏观与微观的可设计性,基于结构与材料一体化优化理念,研究了复合材料框架结构宏观拓扑与微观纤维铺层参数并发优化的双尺度优化问题。以宏观管件构件内半径与微观连续纤维缠绕角度为两类独立的设计变量,建立了以最小化结构柔顺性为目标函数、材料用量为约束的双尺度复合材料框架结构优化列式,给出了宏微观设计变量灵敏度信息的求解算法。讨论并对比了单尺度微观纤维缠绕角度优化、宏观截面拓扑优化与宏微观双尺度并发优化。数值算例表明,双尺度并发优化设计可进一步发掘结构与材料的承载潜力,实现既定性能下的结构轻量化设计。     

THE SATELLITE STRUCTURE TOPOLOGY OPTIMIZATION BASED ON HOMOGENIZATION METHOD AND ITS SIZE SENSITIVITY ANALYSIS

With the development of satellite structure technology, more and more design parameters will affect its structural performance. It is desirable to obtain an optimal structure design with a minimum weight, including optimal configuration and sizes. The present paper aims to describe an optimization analysis for a satellite structure, including topology optimization and size optimization. Based on the homogenization method, the topology optimization is carried out for the main supporting frame of service module under given constraints and load conditions, and then the sensitivity analysis is made of 15 structural size parameters of the whole satellite and the optimal sizes are obtained. The numerical result shows that the present optimization design method is very effective.     

Investigation of aerodynamic effects on the high-speed train exposed to longitudinal and lateral wind velocities

The wind stability of the high-speed train has gained an increasing interest in the last few years. In this paper, an investigation of the effects of stochastic winds with longitudinal and lateral components on the high-speed train is described. The longitudinal and lateral wind time histories at the position of a moving vehicle, for a variety of wind directions, are first simulated. An algorithm for computing the unsteady aerodynamic load time histories is then derived for a moving vehicle. A typical railway vehicle has been modeled using the vehicle dynamic simulation package ‘Simpack’, and the unsteady wind loads of the same vehicle are applied to the vehicle model to investigate the dynamic response behavior. The simulated vehicle behavior is assessed against the indicator of load reduction factor, which indicates wheel unloading and therefore potential roll over. The characteristic wind curves (CWC) and its spread range are then obtained to evaluate the operational safety of the high-speed train. The results demonstrate that the operational safety of the high-speed train will be overestimated if the lateral wind velocity is not considered, especially for the small angles between vehicle and wind.     

基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计

为提升车辆底部防护组件的抗爆性能,降低车身底板变形对车内乘员的威胁,基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计,得到了加强梁的最佳材料分布形式,随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能,采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计,以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标,防护组件的质量为约束条件,以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量,得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明,相比于初始设计,该方案在不增加结构质量的情况下,防护组件的抗爆性能得到显著提升,改进后基板的挠度峰值降低了5%,基板的最大动能降低了11.58%。     

含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计

运用移动最小二乘曲面拟合技术和遗传算法优化技术,建立一套完整的结构耐撞性优化设计技 术。设计了一个具有高效吸能能力的薄壁圆管结构含诱导缺陷薄壁圆管结构,给出了含缺陷薄壁圆管结 构耐撞性优化设计结果。结果显示,设计的薄壁圆管结构具有好的吸能效果,该结构设计简单,便于在结构设 计中使用。