面向不锈钢地铁整车结构的显式拓扑优化设计

受限于制造要求和较大的计算规模，整车级的列车拓扑优化为列车设计阶段的难点之一。本文面向不锈钢地铁整车结构设计，开展基于可动变形组件法（Moving Morphable Component, MMC）的显式拓扑优化研究。根据某不锈钢地铁车体结构设计需求，依据EN 12663标准，建立了地铁车体结构MMC拓扑优化数学模型，同时给出了适用于列车的拓扑优化设计流程，搭建了完整的显式拓扑优化框架下的地铁车体结构优化算法平台。基于MMC方法，可以直接获取不锈钢地铁车体整车级传力路径，数值算例验证了本文算法的优势。     

基于数据驱动的舵面结构优化设计

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.     

基于ICM方法的多工况位移约束下板壳结构拓扑优化设计

基于ICM方法,建立了多种载荷工况下受位移约束极小化结构重量的拓扑优化近似显式模型,采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解,得到了结构的最优拓扑.数值算例表明:ICM方法也可以很好地应用于多工况下板壳结构拓扑优化设计,且收敛快,稳定性好;边界条件和位移约束值都会影响结构的最优拓扑;多工况最优传力路径不是各个单工况最优传力路径的简单叠加.     

大推力液体火箭发动机结构中的力学问题

依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态, 阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点. 静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法, 动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况. 针对发动机典型的部件, 梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战, 包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题, 指出了力学需求和未来研究方向. 最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍, 为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.      

考虑界面力学性能的组件及结构的协同优化

包含多个内嵌功能组件及支撑结构的多组件结构因其轻量化、多功能等优良特性被广泛应用于航空航天等领域.已有的多组件结构拓扑优化研究大多基于理想界面假设,忽略了材料连接界面可能发生的破坏. 本文针对包含多个内嵌式功能性组件的结构,考虑连接界面的力学性能, 对组件的形状、布局及支撑材料的拓扑进行协同优化,以实现多组件结构的优良承载性能. 首先,基于超椭圆模型对内嵌组件的形状及布局进行显式的参数化描述,并构造其水平集函数表达; 进而,结合组件及支撑材料的水平集拓扑描述、内聚力模型及扩展有限元方法(extended finite element method, XFEM), 在固定网格下对随优化迭代不断演化的结构拓扑及连接界面的力学性能进行准确描述;进一步, 建立水平集法框架下考虑界面力学性能的多组件结构拓扑优化列式,基于伴随变量法推导解析的灵敏度并采用梯度优化算法求解优化问题.本文采用该优化框架分别对内嵌组件的悬臂梁和MBB梁进行协同优化, 在优化过程中,发现组件的初始布局对最终设计有很大的影响, 并且可能导致不良结构.为了避免此情况, 本文提出了两个阶段的优化策略,即首先对组件布局和形状进行优化, 再进行结构和内嵌组件的协同优化.数值结果显示, 在优化结果中功能性组件及界面通常分布于结构受压应力作用的区域,且连接界面最优形状呈现为曲率较小的光滑曲线,该设计避免界面发生拉伸及剪切破坏, 有效提高了结构的承载力,同时也表明了本文所提出考虑连接界面力学性能拓扑优化方法的有效性.      

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

热弹性结构的拓扑优化设计

针对热弹性连续体拓扑优化存在的中间密度问题,以骨架式结构为研究出发点,分析了热、力耦合场作用下的结构拓扑构型设计,对比了SIMP和RAMP两种材料惩罚模型对消除中间密度值的应用效果,阐述了在相同惩罚模型下,拓扑优化解对热、力两类载荷相对大小的依赖性. 在此基础上,提出以不同惩罚模型应对两类载荷的处理方法,通过骨架式结构和连续体结构数值算例,验证了该方法的可行性和有效性.      

多工况应力约束下刮板取料机输送链板的拓扑优化

应用ICM方法建立了悬臂式刮板取料机输送链板的拓扑优化模型,针对多工况应力约束下连续体拓扑优化中出现的载荷病态现象,提出了在优化过程中对载荷进行分层放大处理的策略.将ANSYS中单元生死法与ICM方法及分层优化过程有机结合起来,实现单元的删除、保留与复活.借助ANSYS软件平台,利用APDL语言实现了对输送链板的拓扑优化,完成了对输送链板的轻量化设计.     

基于BESO算法的涡轮盘拓扑优化

涡轮盘作为航空发动机的核心部件之一,其轻量化设计对航空发动机效率提升至关重要。基于双向渐进结构优化算法（bidirectional evolutionary structural optimization,BESO）拓扑优化模型,使用灵敏度过滤的方法抑制棋盘格现象,用ANSYS的参数化设计语言（ANSYS parametric design language,APDL）编写拓扑优化程序,对离心载荷作用下的涡轮盘进行结构优化,并通过施加叶片等效载荷的方式,考虑叶片对于优化结果的影响。结果表明,使用编写的算法进行拓扑优化迭代步数减少,显著提升优化效率,在减重26%的条件下,拓扑出的新的结构模型结构总应变能降低48%,结构刚度提升,最大等效应力降低25%且应变能和应力分布更均匀合理。     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

航空发动机叶片抗冲击动力学拓扑优化研究

本文运用了结合混合元胞自动机(Hybrid Cellular Automaton, HCA)方法和基于LS-DYNA显式有限元算法的动力学拓扑优化方法来解决非线性动力学拓扑优化问题,并形成了该方法迭代过程的数学模型．运用该方法,对某航空发动机叶片进行了动力学拓扑优化设计,给出了优化后结构的材料分布,并与优化前结构进行了对比分析．结果表明,优化后结构相比于优化前在材料分布上更加合理,在减少质量的同时降低了结构在冲击过程中的最大应力,实现了航空发动机的抗冲击优化,为航空发动机动态优化设计提供了有效分析方法．     

Topology optimization of a flexible multibody system with variable-length bodies described by ALE–ANCF

Recent years have witnessed the application of topology optimization to flexible multibody systems (FMBS) so as to enhance their dynamic performances. In this study, an explicit topology optimization approach is proposed for an FMBS with variable-length bodies via the moving morphable components (MMC). Using the arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) formulation, the thin plate elements of the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) are used to describe the platelike bodies with variable length. For the thin plate element of ALE–ANCF, the elastic force and additional inertial force, as well as their Jacobians, are analytically deduced. In order to account for the variable design domain, the sets of equivalent static loads are reanalyzed by introducing the actual and virtual design domains so as to transform the topology optimization problem of dynamic response into a static one. Finally, the novel MMC-based topology optimization method is employed to solve the corresponding static topology optimization problem by explicitly evolving the shapes and orientations of a set of structural components. The effect of the minimum feature size on the optimization of an FMBS is studied. Three numerical examples are presented to validate the accuracy of the thin plate element of ALE–ANCF and the efficiency of the proposed topology optimization approach, respectively.     

基于拓扑优化技术的集中力扩散结构设计

对于运载飞行器一类由多个部段装配而成的复杂结构, 外载荷往往被转化为多点集中载荷传递到结构某一部段, 为此, 结构上需要采取使集中力扩散的措施. 基于连续体拓扑优化, 以结构最小柔顺性为目标函数, 同时考虑设计域内材料用量约束和考查区域(承载结构)内力均匀性约束, 提出了集中力扩散结构优化设计的理论模型, 并给出了平面和三维两种不同的优化算例, 均得到了合理的优化设计结果. 最后, 针对运载火箭燃料贮箱短壳, 考虑工程实际的受力及约束情况, 给出了可行的概念性设计方案.      

基于移动可变形孔洞方法的超弹性结构拓扑优化

现有隐式拓扑优化方法在进行超弹性结构拓扑优化设计时,具有设计变量多、中间设计有限元分析存在严重的收敛性和设计结果无法直接导入CAD/CAE系统等问题。为解决这些问题,提出了一种基于移动可变形孔洞的显式拓扑优化方法来进行承受大变形的超弹性结构设计,材料本构采用常用的Mooney-Rivlin模型。首先,介绍了移动可变形孔洞方法的基本思想和可变形孔洞的显式描述方法;其次,构造了基于移动可变形孔洞方法的超弹性结构拓扑优化的数学列式,给出了相应的灵敏度结果;最后,通过数值算例验证了本方法的有效性。数值结果表明,该方法可以通过较少的设计变量和非常稳健的优化过程,给出边界由B样条曲线描述且可与CAD/CAE软件无缝连接的超弹性结构设计。