具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

厚度幂指数分布管状结构耐撞性设计准则与方法研究

厚度或质量连续分布技术对车身薄壁结构的轻量化和性能设计有着非常重要，甚至起到决定性的作用，从设计方法上研究连续变厚度结构在车身零部件中的耐撞性应用是安全性设计所需的主要工作。本文研究一种较新颖的薄壁吸能结构，其管壁厚度按照幂指数形式连续分布，根据此分布特点推导出了该薄壁结构在等质量条件下与其他管状结构（比如均匀管、拼焊管和锥管等）之间相关参数的定量解析关系，给出了前者的耐撞性设计准则，评估了不同梯度对幂指数管耐撞性能的影响。分析结果显示，该新颖管状结构比其他截面管具有更理想的耐撞特性。然后，在2个设计区间内对梯度指数分别采样并构造近似模型，采用遗传算法作为求解器得出了非劣解前沿，研究发现高阶响应面近似模型得到的设计结果不一定是最优的。     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件，提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而，形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析，因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法，以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入，采用基于各向异性径向基函数网格变形方法，并结合骨架内嵌空间，可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例，采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状，可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型，并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示，构件耐撞性获显著提高，验证了所提参数化变形方法的有效性，展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

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。     

惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进

惯性释放法是在飞行器设计中采用的一种近似分析方法,用于获得载荷作用下的自由-自由结构的内力响应。为了克服结构耐撞性拓扑优化问题求解的困难,探讨了惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进。将惯性释放法改进的惯性释放法、ESL(等效静力法)的优化思想与HCA(混合胞元自动机法)的材料更新规则结合,提出了一种新的高效的可用于耐撞性拓扑优化问题的混合法。数值算例结果表明,改进的惯性释放法对于多数碰撞问题均可以获得精度较高的结果,而惯性释放法对部分问题同样可以获得精度较高的结果,同时应用过程更加简便。优化算例的结果显示,新的混合法可以获得吸能性能更好的结构设计,同时有效地降低优化过程的耗时。     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件,提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而,形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析,因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法,以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入,采用基于各向异性径向基函数网格变形方法,并结合骨架内嵌空间,可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例,采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状,可快速(低于4 s)获取100组局部变形有限元模型,并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示,构件耐撞性获显著提高,验证了所提参数化变形方法的有效性,展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

民机机身结构耐撞性研究的进展与挑战

应急着陆场景下的民机耐撞性与乘员安全直接相关，是民机安全性的重要体现，其中机身结构耐撞性是民机结构强度领域内的研究热点。机身结构耐撞性是复杂的非线性冲击动力学问题，涉及到结构的大变形、断裂失效与动态接触等。运输类飞机适航标准对机身结构耐撞性做出了明确规定，要求通过合理的设计，避免乘员承受过于严酷的冲击载荷，维持客舱内大质量体的有效约束，保持乘员的可生存空间以及维持乘员应急撤离通道的可用等，相关的设计需要通过实验方法或经验证的分析方法进行评估。本文对民机机身结构耐撞性研究中的几个关键问题，如紧固件和机械连接结构的冲击动力学行为，高效吸能元件与吸能结构设计方法，机身结构耐撞性评估的实验与数值方法等近年来的研究情况进行了分析，总结了主要研究进展，并分析了当前研究面临的主要挑战。     

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。     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

基于机械振动理论的垂直侵彻弹靶作用模型

为了给侵彻引信抗高过载优化设计提供准确的力学输入，将机械振动理论引入侵彻过程建模领域，提出了一种侵彻战斗部刚体运动与一阶轴向振动相结合的垂直侵彻弹靶作用模型。在垂直侵彻过程受力分析的基础上，基于牛顿第二定律建立了战斗部刚体运动模型，基于单自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了战斗部一阶轴向振动模型，并采用数值积分的方法获得了垂直侵彻过程中各物理量的变化规律。和火炮试验实测加速度信号的对比分析结果表明:考虑战斗部一阶轴向振动后的垂直侵彻弹靶作用模型能更准确地描述侵彻过程，能更有效地指导侵彻引信的抗高过载优化设计。     

基于Kriging代理模型的结构形状优化方法研究

建立了一种进行结构形状优化的工程方法。该方法利用试验设计法选取位置变量样本点,并对各个样本点对应的结构进行尺寸优化,然后根据样本点和尺寸优化结果建立Kriging代理模型,再利用遗传算法求出位置变量最优解,进而得到结构最优解。最后进行了15杆平面拱式桁架、悬臂梁和25杆空间桁架三个形状优化算例,算例分析结果表明:该方法思路清晰、适应性强、优化效果明显,具有较大的工程应用价值。     

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...     

桩基础优化设计的模块化方法

采用改进的自动分组遗传算法,按现行规范实现了在概念设计阶段的桩基础优化设计。根据工程设计和施工的实际情况,提出了模块化方法,将整个基础划分为一定数量的模块,各模块以所含桩的数量、长度和直径为特征,兼顾桩距及布局等因素,能够实现桩基础拓扑、形状和尺寸的协同优化。在此基础上,建立了以桩基材料用量最少为目标,考虑承载力、沉降、偏心、软弱下卧层及分组等多个设计约束的桩基优化模型。求解上述优化问题,可获得具有最优设计变量取值和设计变量分组的可行设计。本文方法用于两个算例的优化,取得了良好效果。     

An analytical approach to optimally design of electrorheological fluid damper for vehicle suspension system

This work develops an analytical approach to optimally design electrorheological (ER) dampers, especially for vehicle suspension system. The optimal design considers both stability and ride comfort of vehicle application. After describing the schematic configuration and operating principle of the ER damper, a quasi-static model is derived on the basis of Bingham rheological laws of ER fluid. Based on the quasi-static model, the optimization problem for the ER damper is built. The optimization problem is to find optimal value of significant geometric dimensions of the ER damper, such as the ER duct length, ER duct radius, ER duct gap and the piston shaft radius, that maximize damping force of the ER damper. The two constrained conditions for the optimization problem are: the damping ratio of the damper in the absence of the electric field is small enough for ride comfort and the buckling condition of the piston shaft is satisfied. From the proposed optimal design, the optimal solution of the ER damper constrained in a specific volume is obtained. In order to evaluate performance of the optimized ER damper, simulation result of a quarter-car suspension system installed with the optimized ER damper is presented and compared with that of the non-optimized ER damper suspension system. Finally, the optimal results of the ER damper constrained in different volumes are obtained and presented in order to figure out the effect of constrained volume on the optimal design of ER damper.     

大跨桥梁参数识别响应面方法中的近似函数及样本选取

以某大跨斜拉桥实验室物理模型设计参数与动力特性之间复杂的隐式关系为对象,分析响应面模型中近似函数和试验样本对回归模型精度的影响。首先推导多项式和径向基函数响应面模型的建模方法,然后基于斜拉桥三维空间模型的有限元动力分析,比较分析完全二阶多项式与几种径向基函数模型在设计域和扩展设计域内以及噪声污染情况下的回归精度。最后对几种少量样本的试验设计方法和响应面试验设计方法进行了分析。结果表明,径向基函数模型各方面性能优于多项式模型,响应面实验设计方法优于其他方法,少量样本可采用D优化设计,较多样本情况下以中心复合设计较佳。     

基于响应面方法的结构碰撞优化

应用响应面方法可将结构响应表达为设计变量的显式形式．为拟合响应面，基于中心复合设计和单纯形设计简化出了中心对称和拟单纯形设计，其既可以保证约束近似精度，同时降低计算量．针对常见优化问题，使用响应面方法将其构造为线性或者非线性约束优化模型，并应用Matlab优化工具箱求解．方管碰撞优化数值算例表明文中提出的试验设计方法及优化模型有较好的求解效率和精度．     

薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析的参数化研究

针对在轴向载荷作用下的正置、正交网格形式的薄壁加筋肋圆柱壳结构，利用有限元程序，对薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析进行了参数化研究，得到了进行结构优化设计的准则，对于给定的设计载荷，当结构参数位于某一个局部失稳与整体失稳的临界区域时，结构的重量最轻。提出了基于有限元分析进行结构优化设计的策略，利用优化策略，获得了一薄壁加筋肋圆柱壳结构的优化设计结果，同时给出了粘合刚度简化模型与有限元计算结果的比较。     

Optimal design of an uncoupled six degree of freedom dynamometer

A design analysis of a class of six degree of freedom strain-gage dynamometers which are virtually uncoupled in each force and moment component is presented. The method of design is detailed and an optimal design algorithm is implemented. The dynamometer is made of six or more T-sections with thin webs and flanges called shear panel elements (SPE). Complete stress and buckling analyses are carried out for the SPE, and experiments confirm the predictions of the analyses. The optimal design method is illustrated with several case studies. A dynamometer has been built and used in laboratory and field experiments.     

Coupled acoustic–structural response of optimized ring-stiffened hull for scaled down submerged vehicle subject to underwater explosion

One of the major problems confronted by the designer of submersibles is to minimize the weight of the pressure hull for increasing the payload of a crew and necessary equipment and to simultaneously enhance the strength of the pressure hull for withstanding hydrostatical pressure, underwater explosive loading and other environmental loading. Hence, this paper presents the optimal design of a small-scale midget submersible vehicle (MSV) pressure hull with a ring-stiffened cylinder and two hemispherical ends subjected to hydrostatic pressure, using a powerful optimization procedure combined the extended interior penalty function method (EIPF) with the Davidon-Fletcher-Powell (DFP) method. According to the above optimum design results, we built up midget submersible vehicle finite element model. Then, the coupled acoustic–structural arithmetic from the widely used calculation program of the finite element – ABAQUS, was used to simulate and analyze the transient dynamic response of a midget submersible vehicle pressure hull that experiences loading by an acoustic pressure shock wave resulting from an underwater explosion (UNDEX). The analytical results are presented which will be used in designing stiffened optimum submersible vehicle so as to enhance resistance to underwater shock damage.