基于刚度相似原理的斜拉桥模型设计方法

模型试验是测定结构性能进行科学研究的重要手段之一,目前关于斜拉桥模型设计方法的系统研究还很少。本文提出了斜拉桥模型设计的总体思路,对结构静动力模型的相似关系进行了推导,并完全按照相似关系设计了一座三跨PC斜拉桥的理想模型桥,将其与实桥有限元数值模拟及原型成桥现场静动力测试结果进行比较分析。结果表明,对于斜拉桥这种组合体系结构,当存在两种弹性模量相似比时,采用刚度相似法处理相似关系是合理的。最后,阐述了实际中制作斜拉桥模型时应考虑的问题,为斜拉桥模型的设计制作提供指导。     

基于应变能与频率灵敏度的静动力双目标ESO

当前在运用渐进结构优化(ESO)时,大多仅设定了单一的静力或动力目标,难以满足工程结构设计的需求。为此,将单目标优化常用的应变能灵敏度和频率灵敏度进行无量纲处理,再与多目标优化理论结合,开发出静动力双目标ESO。通过多个不同边界条件的深受弯构件数值算例,证实了新方法的运行稳定性和普遍适用性,同时还得到了静力优化与动力优化间的权重系数比取值建议。有限元对比分析结果表明,该新方法相较于传统的单目标优化,能够兼顾结构的静动力性能,使结构耗材减少但静力刚度基本维持,同时材料利用率和一阶固有频率还能不断提升。     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力响应和结构参数之间复杂的隐式关系用显式函数近似表达出来;在此响应面模型(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.     

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.     

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

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.      

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.     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

旋转倒立双摆摆起控制量的动态设计变量优化

倒立摆的摆起过程是复杂的非线性力学与控制的综合问题,当力学模型和参数确定时,寻求有效方法计算控制律函数是实现摆起的关键。本文以倒立双摆模型为研究对象,将动态设计变量优化方法引入对摆起开环控制律的分析,编制计算机程序进行数值仿真,确定了控制律函数与状态量随时间变化的状态,为复杂强非线性系统的控制提出了一种有效方法。     

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.     

自适应Kriging近似模型及其在二维扩压器优化设计中的应用

将均匀设计方法、CFD技术、Kriging近似模型及小生境微种群遗传算法相结合发展了一种自适应全局优化设计方法.优化过程中综合考虑Kriging模型的预测值与预测标准差,引入了EI(Expected Improvement)函数得到校正点,解决了采用近似模型最优策略得到校正点带来的局部收敛问题.分别采用该方法和小生境微...     

Nonlinear parametric modeling of suspension bridges under aeroelastic forces: torsional divergence and flutter

A fully nonlinear model of suspension bridges parameterized by one single space coordinate is proposed to describe overall three-dimensional motions. The nonlinear equations of motion are obtained via a direct total Lagrangian formulation and the kinematics, for the deck-girder and the suspension cables, feature the finite displacements of the associated base lines and the flexural and torsional rotations of the deck cross-sections assumed rigid in their own planes. The strain-displacement relationships for the generalized strain parameters, the elongations in the cables, the deck elongation, and the three curvatures, retain the full geometric nonlinearities. The proposed nonlinear model with its full extensional-flexural-torsional coupling is employed to study the torsional divergence caused by the static part of the wind-induced forces. Two suspension bridges are considered as case studies: the Runyang bridge (main span 1,490?m) and the Hu Men bridge (main span 888?m) in China. The evaluation of the onset of the static instability and the post-critical behavior takes into account the prestressed condition of the bridge subject to dead loads. The dynamic bifurcation that occurs at the onset of flutter is also studied accounting for the prestressed equilibrium state about which the equations of motion are obtained via an updated Lagrangian formulation. Such a bifurcation is investigated in the context of the parametric nonlinear model considering the model parameters of the Runyang Suspension Bridge together with its aeroelastic derivatives. The calculated critical wind speeds for the onset of the static and dynamic bifurcations are compared with the results obtained via linear analysis and the main differences are highlighted. Parametric sensitivity studies are carried out to assess the influence of the design parameters on the instabilities associated with the bridge aeroelastic response.     

基于Kriging模型的汽轮机基础动力优化设计

随着汽轮机容量的增加和核电站的迅速发展,汽轮机基础动力优化设计已经成为世界前沿的研究课题.本文提出一种基于Kriging模型的有效优化方法,用以求解上述动力优化设计问题.该问题的优化模型是在汽轮机基础框架重量约束条件下,优化汽轮机基础中柱的位置和粱、柱的截面面积,使基础振动的最大幅值最小化.Kriging模型用于建立基础振动的最大动位移幅值与设计变量间的近似函数关系,从而避免了优化迭代中灵敏度分析.开发了动力分析程序,作为黑箱用于动力响应分析.算例结果表明,本文方法在效率和稳定性上优于序列线性规划方法.     

大转动曲边柱壳非线性3-D动力学建模及分析

对曲边柱壳受轴向非均匀内压作用下的大转动几何非线性3-D动力学行为进行了研究.基于Nayfeh and Pai[1]非线性壳体理论,给出了考虑几何非线性的3-D混合型（含内力与位移）动力学模型.为了克服该强非线性模型难以求解的问题,依据分析获得的结构静动态变形关系,采用Lagrange方程推导建立了基于结构静态解的曲边柱壳多自由度3-D动力学方程,并对其进行了线性化与降阶处理,结合差分法获得了一套高效的求解算法.与LS-DYNA有限元结果的吻合,验证了本文方法的正确性.最后分析了单元数和计算时间步分别对有限元模型和本文方法的影响,发现求解精度随着计算时间步的减小不断提高直至趋于稳定.同时对采用本文方法获得的曲边柱壳动态变形模式的分析表明:结构动态响应与其所受内压载荷沿轴向的分布形式关系紧密,可以通过改变或者设计内压轴向分布形式来影响以及控制结构的动态变形模式,从而应用于曲边柱壳结构设计及优化的工程实际中.     

刚柔耦合定位平台结构-运动-控制一体化建模

针对微电子制造行业等领域中的长行程高精度定位问题，提出了一种刚柔耦合定位平台，并建立了其结构-运动-控制一体化动力学仿真模型。首先，根据刚柔耦合定位平台的结构特点对浮动坐标法进行修改，建立了简洁高效的动力学仿真模型。其次，结合动力学模型、3阶S型曲线和经典的PID控制方法建立了结构-运动-控制一体化仿真模型。最后，通过数值算例对仿真模型的有效性进行了验证。数值模拟结果显示，建立的结构-运动-控制一体化仿真模型能够有效地对定位平台的工作过程进行模拟，为后续的结构优化、运动规划和控制系统设计等工作创造条件。     

轻型飞机机翼气动/结构协同优化研究

探讨用协同优化方法能否有效地解决机翼气动／结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化两种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动／结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动／结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动／结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

重型车辆撞击桥墩的碰撞力峰值参数分析

车辆撞击桥墩的碰撞力受很多因素影响,现行桥梁规范中仅以恒定的静力进行设计,不能正确反映碰撞过程的动力效应以及桥墩与车辆的耦合作用影响,难以满足现代交通和基础设施高速发展的需求．为了考察桥梁结构参数对碰撞力峰值的影响及不同参数间相对重要性,在有限元软件LS-DYNA平台上,建立了车桥碰撞精细化数值模型,对桥梁下部结构遭受重型车辆碰撞过程进行数值仿真,分析了桥墩高度、混凝土抗压强度等级、箍筋间距、纵筋和箍筋的屈服强度、纵筋和箍筋配率等结构参数对碰撞力峰值的影响规律．     

信阳浉河大桥载荷实验

信阳浉河大桥是1997年建成的一座中承式拱桥,计算跨径为168m,计算矢高33.6m,矢跨比为1∶5,拱肋为箱型截面,拱肋高为3.5m,宽为1.5m。为了检测该桥当前的承载能力,于2004年1月对该桥进行了静动载试验。本文介绍了对该桥的实验检测内容,在实验中共考虑7种载荷工况。对桥梁进行了外观检测,将拱轴线型、桥面线型与设计进行了比较,发现拱轴略向南偏移;对桥梁进行了自振特性检测,自振频率与原设计结构的自振特性基本相同,说明该桥的整体性能很好;对桥梁进行了静载实验,对吊杆索力、控制截面的挠度、应变进行了测试。由检测试验结果可以得出结论:该桥整体性能基本上能满足正常使用要求,承载能力基本上达到了其设计承载能力。     

考虑动荷载响应的结构形状优化设计研究

以产生相同位移场为基础，将动荷载转化为一系列的等效静荷载，然后将这些等效静荷载作为多个载 荷工况进行有限元优化设计分析. 通过几个算例的验证，表明这种基于动荷载等效转换的算 法能够反映动荷载对结构的动力响应，对具有大规模自由度的结构形状优化问题是有效的.     

兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法

为避免考虑瞬态动力性能时拓扑优化的高计算成本，满足工程快速设计的需求，获得主要静动荷载作用下的合理结构形态，本文提出了一种低计算成本的兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法。施加的动荷载是地震等效荷载，用振型分解法和抗震规范中的反应谱曲线确定；通过结构形态、动力特性和地震等效静载的相互反馈和作用实现了考虑结构动力特性的拓扑优化；此外，还提出方法的自动进化策略。算例表明，方法可有效实现兼顾静动性能的拓扑优化。     

考虑振源阻抗影响的动力吸振器优化设计

本文从四端参数技术入手,着重研究振源特性对动力吸振器优化设计的影响,进行了理论推证。且与传统优化设计进行比较,最后通过回转惯性振源的计算,进行了讨论.