周边式桁架可展开天线基于地面的网面调整

借鉴M.C.Natori思想对周边式桁架可展开天线提出了基于地面的网面优化调整方法,建立了以纵向拉索调整力为设计变量,天线反射面的表面均方根误差为目标函数,频率和应力为约束的优化数学模型,并用遗传算法进行了求解。数值结果表明,采用该方法在地面上对周边式桁架可展天线进行网面调整,能有效地消除地面重力的影响,较为准确地预测天线由于环境变化(由地面环境到太空环境)而引起的变形,使得最终调整获得的天线表面精度能够满足太空无重力环境下的精度要求,这种新方法对工程中天线的设计和网面调整具有指导作用。     

考虑频率和应力约束的索网式天线多目标优化设计

为确保天线的表面精度和工作性能,综合考虑了天线结构重量、频率、布局等诸多因素,提出了基于优化的设计方法来平衡这些因素.以绳索预张力大小、纵向调整索数目、辐射单元数目为设计变量,结构重量和网状反射面的均方根误差最小为目标函数,应力和频率为约束条件,建立了索网式可展开天线设计的多目标优化数学模型.并将多目标化为单目标用遗传算法进行了求解,结果表明:在结构表面精度达到约2mm 的条件下,结构重量能减轻12%.这表明文中所提出的优化设计方法是有效可行的,对网状天线结构的设计具有一定的指导意义.     

索网式展开天线网面精度调整的控制方法

针对索网式星载可展开天线调整节点之间强耦合的特点,本文研究了展开天线网面精度调整的方法.首先,基于Lagrange方程建立了网面物理模型,并推导了网面的刚度矩阵.基于刚度矩阵,在仅知道调整索节点位置量的条件下,提出了索网反射面调整的自适应控制方法.仿真结果验证了模型和控制方法的可行性与有效性.     

地面重力环境下可展开天线索网结构形态分析

为了模拟在地面环境测试时重力对可展开天线索网结构形面精度的影响和索网在天线展开过程中的内力变化情况,本文引入悬链线单元对天线索网结构进行了重力作用下的形态分析和计算。文中首先使用平衡矩阵线性分析方法计算出了天线索网结构各索段在无重力作用下的预张力值和索段原长;然后在不改变索段原长的条件下以悬链线单元模拟了可展开天线的上、下弦索网,以两节点直杆单元模拟天线的纵向索网,计算得到了索网结构在地面重力环境下的形状和内力分布,并仿真模拟了天线索网在展开过程中的形态和内力变化情况。基于文中的数值算例对可展开天线索网结构在重力作用下的形面精度以及在展开过程中的形态变化进行了仿真计算和分析。算例计算结果表明,自重作用下的天线索网形态与无重力作用下的索网形态差别很小,但天线索网结构在重力作用下的展开过程中,其内部各个索单元的张力表现出了强烈的非线性变化特征。     

网壳结构健康监测中的传感器优化布置

针对网壳结构健康监测提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置的方法.由于模态数目的选取对基于损伤灵敏度分析的传感器优化布置有很大的影响,因此本文建立了一种同时包含模态独立性信息和损伤灵敏度信息的Fisher信息矩阵,并选取合适的模态数目,然后发展了一种以信息矩阵最大和条件数最小为准则的多目标优化算法.空间网壳数值算例表明,本文提出的传感器优化方法能简单、有效地为空间结构传感器优化布置提供可行方案.     

拉索预应力空间网格结构的优化设计

本文讨论了以结构自重为目标函数,以拉索张力和杆件截面尺寸为设计变量,考虑应力和位移约束的拉索预应力空间结构的优化设计问题,建立了该结构优化设计的数学模型。提出了解决该优化问题的二级优化算法。从本文的两个算例可以看出,二级优化算法有较好的计算效率和收敛性,便于工程应用。     

考虑弯曲刚度斜拉索面内面外内共振分析

本文研究桥梁工程中含弯曲刚度斜拉索的面内面外内共振问题．描述了工程中斜拉索变形的三种状态,考虑弯曲刚度、大变形及垂度等因素,忽略斜拉索纵向惯性力的影响,运用Hamilton变分原理建立了含弯曲刚度的斜拉索面内面外耦合偏微分控制方程,采用Galerkin方法对偏微分方程离散,并运用多尺度摄动方法进行了求解,获得了斜拉索可能存在的内共振模式,以工程中一根斜拉索为例,运用有限元法对其进行动力特性分析,列出了斜拉索前10阶面内面外振动频率,找出面内面外可能产生内共振的模态,分别研究了主共振条件下斜拉索面内和面外1:1、2:1内共振情形,获得了有意义的结论．     

预应力索网天线结构优化设计

索网预拉力设计是索网天线结构设计的一个重要内容.针对三向网格旋转抛物面索网天线结构,首先在不计桁架结构受力变形的条件下,从索网节点的力平衡方程出发,以索网结构的结构特征为依据,以网面索段最大拉力比最小为设计目标,给出了索网结构预拉力优化设计的有效方法;其次,考虑到在索网结构的拉力作用下,桁架结构的微小变形将导致网面索段的拉力均匀性变差,通过调节索网挂接节点的位置,对桁架结构的受力变形进行了有效补偿,改进了预应力索网天线结构的整体设计方案.算例分析结果表明,天线结构网面索段的实际设计最大拉力比为1.30,验证了方法的正确性及有效性.     

双塔联体分幅斜拉桥塔结构模型实验索力测试结果分析

以甬江特大斜拉桥为工程背景,对其整个联塔结构进行室内模型试验研究.针对模型试验中加载斜拉索的布置位置、数量及索力的确定,提出了最少索数的索力优化方法,编制了相应的数值程序.在满足预期目标的前提下,以最少斜拉索数量为原则,确定了试验中斜拉索的优化布置及相应的优化索力及各级加载索力,对优化索力和试验中的测试索力进行比较分析,结果表明索力优化方法可行,两联塔之间索力相互影响较小.     

大型相控阵天线结构保型设计研究

针对某大型相控阵天线自重大、表面精度要求高、加强筋安装位置受限的特点,本文进行相控阵天线阵面保型的结构方案设计.考虑到加强筋安装位置和型材受限,提出了连续化过滤函数,使得型材变量与连续变量进行映射,将离散变量拓朴优化转换为连续变量拓朴优化求解,提高了求解效率,降低了求解的规模.同时,为降低支腿驱动力,以调整机构条件数为目标进行铰节点的布局优化,并进行了静、动力的计算,确定了支腿最大驱动力.对某大型相控阵雷达进行了案例验证,收到满意的结果,并且该方案将应用到工程实际中.     

MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION AND AERODYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF THE UPPER SURFACE FOR HYPERSONIC VEHICLES

为分析小攻角巡航条件下吸气式高超声速飞行器上壁面的变化对其气动性能和容积的影响, 以参数化后的飞行器上壁面对称面型线为设计变量, 在飞行马赫数6.5, 飞行高度27 km, 飞行攻角为4°的条件下, 采用计算流体力学为性能分析工具, Pareto多目标遗传算法为优化设计方法, 开展了二维条件下的升阻比/容积双目标优化设计. 在此基础上, 选择典型的二维优化结果, 重构生成对应的三维构型并进行数值分析, 获得了飞行器气动性能和容积间的相互关系. 结果表明在巡航条件下, 尽管二维/三维条件下飞行器的气动参数数值有较大差别, 但在这2种条件下, 飞行器的升阻比和容积间的关系均近似呈线性反比例关系. 同时, 对于三维构型而言, 在给定容积不变的条件下, 通过改变上壁面对称面型线的形状仅能使升阻比获得较小的增量(约0.36%). 相比之下, 当给定升阻比基本不变的条件下, 飞行器容积可调空间相对较大, 约为1.93%. 此外, 计算结果还表明, 在飞行器的容积基本不变情况下, 通过调节上壁面对称面型线, 可使飞行器的俯仰力矩获得5%左右的调节空间, 且其升阻比基本不变.     

Analysis and Optimization of Plane Cable Trusses∗

ABSTRACT

A method for the optimization of plane cable trusses with loads distributed along the cables according to any arbitrary law, as well as a suitable finite element model for the individual cable section, is presented. The optimization method is divided into two steps. In the first, the structure is optimized through the use of a simplified model in which the two main cables are considered continuously connected by an infinite number of vertical inex-tensible wires. In the second step the optimal solution obtained for the simplified model serves as the point of departure for the optimization of the real structure, using Powell's method of conjugate directions. Suitable external penalty functions guarantee that the solution is feasible. A numerical example is also given.     

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。     

自由曲面索承网格结构的合理布索位置研究

为了给出自由曲面索承网格结构的合理布索位置,首先,将上部网格结构作为连续体,基于鲁棒性定量评价指标,采用改进的大爆炸算法,进行拓扑优化,获得自由曲面的鲁棒构型;其次,利用Hough变换对鲁棒构型进行检测,在布索数量确定后,提取决定布索曲线方向的参数;最后,对布索曲线上的全部节点进行试算,优化出布索曲线端点。算例表明,该方法可为复杂自由曲面索承网格结构优化出基于力学原理的合理布索方案,同时,通过与直观布索方案的对比,证明了本文求得的布索方案具有更好的力学性能,可为实际工程应用提供参考。     

The suspended elastic cable under the action of concentrated vertical loads

This investigation treats the static response of a single elastic cable which is suspended between two points that are not necessarily at the same level. The cable is loaded by its self-weight and any number of concentrated vertical loads which may be arbitrarily placed along its length. The analysis presented uses a Lagrangian approach. For the strained cable profile, the tension and displacements are given as functions of a single Lagrangian co-ordinate. A specific application of the general analysis is made and compared with a simple experiment.     

基于响应面法的五心底结构形状优化

三心底结构是国防、航空及航天等领域经常采用的结构,其旋转母线是由三段弧线组成的,对应着三个圆心,故得名三心底。三心底结构可调整的参数变量少,优化潜力小。根据三心底的形状推广出五心底结构,增加可调整的参数变量,然后对其进行优化。将响应面方法与模型参数化相结合,建立了以结构重量为目标及以结构强度为约束的形状优化模型。根据结...     

Control of Wind-Induced Nonlinear Oscillations in Suspended Cables

In this paper, the along-wind and across-wind responses of suspended cables are studied. The mean wind direction is assumed to be perpendicular to the plane of the suspended cable. It is shown that the cable gallops in the across-wind direction, when the mean wind speed exceeds a critical wind speed. To control the galloping response, a vertical viscous damper, in the vertical plane of the cable, is introduced at a certain location on the cable to a near fixed platform such as a bridge deck. The efficiency of the vertical viscous damper and its location in controlling the galloping of the suspended cable is investigated.     

基于显式几何更新算法的地下管道自动形状优化

基于计算力学中的结构优化思想,应用一种新型的显式几何更新算法,自行编制C++程序,实现地下管道形状设计的自动优化。管道内的流体假设为牛顿不可压缩流,并考虑惯性项。优化区域主要为管道竖直方向和水平方向的过渡段。形状优化的设计变量是几何边界的有限元节点坐标,优化目标是实现流体黏性能耗散的最小化。优化过程基于形状梯度,即通过形状敏感度分析来求解目标函数相对于设计变量的偏导数。所使用的显式几何更新算法既可以通过网格清晰描述形状,也可以大范围地自动更新网格。详细介绍了地下管道自动形状优化过程的关键步骤。通过数值算例探讨了不同注入速度、密度和黏度对其最优形状的影响。     

变化外形的水线对斜拉索风雨激振的激发作用

讨论变化外形的水线对斜拉桥拉索风雨激振的激发作用.首先,建立考虑水线外形变化的斜拉桥拉索风雨激振计算模型,并将由采用变化水线外形的模型得到的拉索最大振幅与固定水线外形模型的计算结果及试验实测结果对比,对模型进行验证;在模型得到验证的基础上,进一步讨论拉索和变化水线外形的水线振动稳定性及水线对拉索风雨激振贡献.计算结果表明,在四个典型工况下,考虑水线外形变化的模型得到的拉索计算振幅固定水线外形模型能更好地与试验实测振幅吻合;理论分析发现拉索速度和水线速度的耦合作用对水线运动的激发起到主导作用;水线的加速发散发生在拉索大幅激振之前.没有水线加速发散的时程中,拉索均不发生大幅激振.