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。     

多目标结构优化设计的中心法

提出一个求解多目标结构优化设计的中心法，该方法可以看作是求解单目标优化问题中 心法的直接推广. 它针对每个目标函数引进一个``移动靶'以形成各目标函数的水平截集， 然后通过计算并跟踪这些目标函数的水平集与原约束集合形成的交集中心，来达到求解多目 标优化问题的目的. 这个方法在不增加额外计算量的情况下，实现了多目标优化与单目标优 化的算法统一，因此非常容易在现有的结构优化设计的程序中实现. 给出了几个结构优化 设计问题的算例，验证了算法的有效性和可靠性.     

永乐大钟梯形木架稳定性初探

对北京市大钟寺悬挂永乐大钟的梯形木架结构的稳定性进行了初步分析. 根据弹性结构稳定 性理论的能量法和中国古建筑结构``卯榫'接头抗弯性能的简化的本构模型,采用``对比法 '分析了二维梯形木架的结构稳定性;结果表明中国古建筑木架结构的``收分'形状设计对 增大木架稳定性有很大作用, 立柱``侧角'越大,稳定性越好. 收分形式设计凸现 中国古代工程技术人员的聪明智慧.     

基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法

提出的布局优化方法是将桁架结构的截面变量、拓扑变量及形状变量统一为离散变量.将离散变量转化为适应于蚁群算法求解TSP问题的离散变量,应用MATLAB语言编写求解桁架结构布局优化程序,最终实现对问题的分析与求解.通过对几个经典的平面、空间桁架结构布局优化算例的验算表明:本文设计的基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法较单独处理截面优化、拓扑优化及形状优化问题具有更大的效益,相对于其他布局优化方法也展现出更好的优化效果.“基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法”在程序设计、求解速度、求解空间及其方法通用性等方面都表现出良好的性能,并且简单、实用,适应于实际工程应用.     

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．     

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。     

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下, 采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性, 即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.      

基于结构拓扑随机变异的水平集优化方法

基于结构拓扑导数的水平集优化方法,利用结构拓扑导数信息和通过不断减少结构体积的方式来确定需开孔的结构位置,需选用最大设计区域结构作为初始优化结构.该方法不适合求解结构体积等式约束的优化问题.为了解决上述问题和克服水平集方法不能在结构内产生新孔洞的困难,提出了一种基于结构拓扑随机变异的水平集优化方法.引进了以小概率随机方式进行结构拓扑变异的结构优化方案.设计了变异算子,讨论了提出方法的收敛性情况.最后,结合考虑结构最大设计区域限制的结构拓扑优化的水平集方法,建立了一套新的涉及结构柔顺度作为目标函数,体积作约束条件的水平集演化算法.给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.     

基于设计空间调整的结构拓扑优化方法

提出了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化方法,以求解有限元网格规模大的问题,且获得0/1拓扑解. 首先, 借鉴有理分式材料模型, 建立了材料刚度性质与拓扑变量的关系. 为了解决分析计算量大和需要解释得到的材料分布等问题,给出了一种不影响数学规划求解算法收敛特性的设计空间调整手段. 其次,当优化迭代求解接近结构最佳拓扑邻域后,采用了加速收敛求解的策略,并给出了一种加速收敛的启发式算法. 然后, 结合基于倒设计变量的位移函数的非完整二阶近似式,建立了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化算法. 该方法能获得较好0--1分布特征的优化拓扑,能较好地处理多载荷和多约束的结构拓扑优化问题. 给出的算例表明通过结构分析模型规模的减小和传统的位移迭代求解法的采用,方法效率明显提高. 算例验证了该方法的正确性和有效性.      

矢量就是向量

Vector, 物理界叫``矢量', 数学界叫``向量'. 能不能统一? 网上甚至有人问, 两者在含义上是否有所差别? 其实, 在历史上, 数学界曾把vector定名为``矢 量', 而物理界曾把它定名为``向量'. 后来, 可能是为了尊重对方, 却对换了 一下, 数学用向量, 物理用矢量. 在20世纪90年代初, 国家名词委为此(vector) 召开会议, 想协调双方, 由主任钱三强亲自主持. 我曾戏称这是个``一字会'. 当时的情况是, 学科有分支, 术语有派生, 犹如家族有后裔. 祖宗互相谦让, 但 子孙繁多, 已无法协调. 钱先生在会上没有说倾向于哪方面的话. 矢量、向量的 分歧, 一直维持到今. 力学这学科, 和数学、物理同样有``亲', 力学中vector 用什么? 当年我在``一字会'后还有情绪, 埋怨钱先生作为领导``不表态'. 过 了好些年, 才懂得这类事, 最多只能因势利导, 不能靠行政命令或专家拍板. 事 实上, 台湾物理界至今用的是还``向量'. 术语, ``审定'已难, ``统一'(统到一个)更不易. 讲句笑话, 连``术语'自身 不是又称``名词'吗? 协商而得统一的也有, 物理界对stress和strain的定名由 原来的``胁强'``胁变', 改为和力学界、工程界一致的``应力'``应变', 阻 力不大. 得不到统一的则很多. 比如loading, 土木建筑界用``荷载', 航空界 用``载荷', 还有用``负载'的. 中学物理教科书强调``压力'``压强'的不同, 而市场上测压强的仪表大多标明为``压力表'. 力学原是物理学的一部分. 最早正式公布的有关术语规范是清政府学部的《物理 学语汇》(1908年). 整整100年了, 矢量、向量并用, 未见统一. 100年对 于vector定名的过程、来龙去脉、哪些专家参与、各自的理由, 作为专题调研, 可另写出一篇不短的报告. 这里我只是借此说明, 术语工作不可缺, 但也急不得.     

飞机机翼损伤的气动模型及故障诊断研究简

为了确保机翼损伤后飞机的飞行安全，提出了一种在线的故障诊断方法. 首先，根据输入输出特性，采用遗忘因子递推最小二乘法对飞机故障后的气动导数进行辨识，建立了机翼损伤故障的数学模型；然后，结合多模型方法和中心差分卡尔曼滤波器（central difference Kalman filter，CDKF）各自的优点，实现对机翼损伤的故障诊断，并采用强跟踪滤波器在线更新CDKF 的采样点，以增强CDKF 的自适应能力. 最后，通过仿真结果验证了本文所提方法的有效性.     

计算机辅助工程(CAE)及其发展

 CAD/CAM/CAE三者中，前两者概念较直观，CAE概念则是发展的，涵盖范围 广，比较灵活. 当前，CAE已由数值计算发展到仿真，并向CAD/CAM全面融合的虚拟现实拓 展. 随着有限元技术的成熟以及神经网络、遗传算法等智能算法的引入，计算机辅助工程分 析不仅服务于详细设计，而且支持总体方案设计. 基于产品研发过程，对CAE本身进行 了分析，全面阐述了CAE的目标、物理内容、算法，说明了有限元/人工智能在方案设计中 的应用. 对优化技术的发展历程进行了回顾，并展望了未来CAE的发展动向及若干重要问题.     

一种用于振动疲劳试验研究的典型翼面模拟件

为开展飞机典型翼面结构振动疲劳问题及相关试验技术的研究,参考某型飞机垂尾翼面设计了其模拟件。在有限元分析软件Abaqus中建立其有限元模型,进行该模拟件的动力学分析和优化,使其模拟某飞机垂尾的前三阶模态。结合模态振型分析,给出一种确定单点振动载荷最优加载点的方法。窄带随机试验结果表明,模拟件达到了设计要求,可以用于某飞机垂尾翼面振动疲劳问题及相关试验技术的研究。     

计及气动和隐身约束结构综合优化的并行子空间优化方法

通过分析基于响应面的并行子空间优化算法的特点指出并行子空间优化算法学科级优化的作用在于向系统级优化响应面提供性能优良的设计点.在此基础上,建立了不要求学科级优化的改进的并行子空间优化算法,进一步降低了设计优化的计算量,解决了分析模块与优化模块间的接口困难.依据该算法建立了结构、气动和隐身一体化设计优化框架,实现了某无人机机翼计及气动和隐身约束的结构综合优化.     

DYNAMIC MODELING AND STABILITY CONTROL OF FOLDING WING AIRCRAFT 1)

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.     

飞机机翼气动外形优化设计研究

本文首先对某飞机原机翼外形进行了详尽的气动分析计算,然后确定了设计思路和方案,探讨了后掠角变化对机翼气动性能的影响,研究选定了减小外翼后掠角的机翼新平面形状,采用先进的CFD软件优化机翼的气动设计,根据不同设计思想进行了多个机翼的外形优化,包括新的翼剖面和弯扭配置,最后将优化设计结果与原机翼进行了对比,对比结果表明,以Q5-M2T和Q5-N2T为代表的优化结果取得了十分理想的改进效果,优化机翼提高了气动性能,机翼升阻比提高了20%-30%,满足了飞机载弹量增大后性能仍可以全面提高的设计要求。     

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

基于CAD平台的周期性材料单胞的参数化形状优化设计方法

对于具有特定材料属性的周期性复合材料设计,提出了一种参数化的形状优化方法。对于带有周期性结构的两相材料,给定细观单胞结构的基本构型,通过参数化的实体造型技术,结合均匀化方法,实现了通用的材料单胞形状参数化设计方法,以获取指定材料性能。在参数化结构形状优化设计CAD/CAE集成平台POSHAPE上完成程序实现。文中算例给出了两相蜂窝型骨架复合材料和空心复合材料周期性单胞的零泊松比和指定参数性质的形状优化设计过程,并验证了本文方法的有效性。