锻造操作机机构受力性能的多目标优化设计

考虑到锻造操作机的重载特性,为避免因受力不均造成局部受力过大而危及机械结构的安全性,本文以某DDS锻造操作机为例,进行操作机的机构受力性能优化设计。通过灵敏度分析,以关键的机构受力构件在整个工作空间上的平均受力作为优化目标,基于多目标遗传算法NSGA II对操作机的主运动机构进行尺寸优化设计,以合理分配机构受力。与原设计相比,优化后的操作机具有更为良好的整体受力性能。本文的研究工作有助于操作机的机构设计。     

考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标. 首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布. 之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型. 建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难. 建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况. 最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解. 单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性. 结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果. 本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.      

基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计

在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.     

基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计

利用高精度通用单胞模型将复合材料的细观拓扑结构与宏观力学性能结合起来,采用遗传算法对复合材料的细观结构进行优化,发展了基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计方法.以材料的宏观力学性能为优化目标,从随机的初始细观结构出发,对复合材料纤维体积百分比进行约束,经过迭代获得满足设计要求的代表性体积单元.在优化过程中,对遗传算法的交叉过程作了较大的改进,实现了复合材料细观拓扑结构的任意变化,提高了对可行域的搜索效率.分别以极限剪切模量和泊松比为优化目标,验证了所提出优化方法的正确性和有效性.     

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.      

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用.为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP (Solid Isotropic Materi-al with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法.基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值.同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应.采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元.利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题.利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析.最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解.     

多工况下结构拓扑优化设计

考虑单元删除和增加对结构应力约束的影响，提出了一种新的多工况下结构的双方向渐进优化方法．首先，基于在结构孔洞或边界周围附加人工材料的思路，建立了结构优化模型和应力灵敏度公式．然后，结合结构应力和应力灵敏度，给出了多工况静力载荷下考虑静应力约束的结构优化准则和算法．开展了结构仿真设计，结果表明给出的方法是正确和有效的，并具有较好的工程应用价值．     

海洋柔性立管防弯器结构非线性刚度拓扑优化

防弯器是海洋柔性立管过弯保护的关键附件, 对提高立管的结构安全性具有重要意义. 目前, 防弯器结构设计主要采用尺寸优化方法. 然而, 与拓扑优化方法相比, 该方法能提供的设计空间有限, 其在提高防弯器的力学性能, 以及探索防弯器创新构型方面具有很大不足. 本文在Dirichlet边界条件下, 以最大化弯曲刚度为目标, 对同时考虑材料和几何非线性的防弯器结构拓扑优化方法进行研究. 通过引入Helmholtz-PDE过滤和Heaviside惩罚, 以克服优化中出现的棋盘格现象和灰度单元等数值不稳定性问题. 与此同时, 研究引入了对称算子, 以提高往复性载荷作用下防弯器结构的承载能力和可制造性, 并且采用伴随法对优化问题的灵敏度进行了推导. 此外, 为了提高结构分析和优化的效率, 研究还基于PETSc库建立了并行程序框架. 数值算例中, 在材料体分比相同的情况下, 对防弯器结构分别进行了2D和3D非线性拓扑优化, 并对两种优化结果的承载能力进行了对比. 数值算例结果表明, 相比于防弯器2D拓扑优化结果, 在大部分波浪载荷方向下, 3D拓扑优化所给出的防弯器设计方案具有更为优越的结构性能. 本文所建立的3D非线性拓扑优化技术, 为深水恶劣海况下的高性能防弯器结构设计提供了新的理论模型和实现技术.      

基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境.为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法.以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型.为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题.数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能.     

基于理想点法的液体静压支承系统多目标参数优化设计

利用多学科优化理论,以液体静压支承系统的结构最大位移最小、单元最大Von Misses应力最小为优化目标,以无量纲的材料弹性模量和油膜刚度作为设计变量,利用响应面方法,将满足结构强度和刚度条件的目标函数进行显式化,建立了以结构综合性能指标为目标的单目标优化模型,通过求解获得了提高系统力学性能的参数条件.本文的研究工作对...     

隔水管弯曲对钻柱振动影响的计算与分析

海洋油气资源钻探中隔水管的弯曲对钻柱振动以及钻进特性有特别的影响。为得到隔水管弯曲对钻柱振动的影响规律,对南海已钻深水井使用非线性有限元软件建立全井钻井数值计算模型,研究获得了不同垂深时隔水管弯曲对钻柱振动特性的影响规律。研究表明:隔水管弯曲会加剧钻柱的振动,钻柱振动加剧会导致钻井能耗上升、钻头切削能力下降并且会加快钻柱疲劳;当隔水管的弯曲达到某临界值,钻柱与隔水管间的接触力会陡增;井口的钩载越大,隔水管弯曲带来的井口钩载波动量越大;井越深,隔水管弯曲对全井钻柱最大弯矩和钻头切削能力的影响越小。     

On the derivation for the gradients of the principal invariants

In this notes, it is shown that the method carried out by Truesdell and Noll [1] for the gradients of the principal invariants is available to be used for arbitrary second-order A. Finally, some trace identities for the derivatives of invariants are given.     

On the existence of the derivative of the volume average

A general theorem on the derivative of the volume average is formulated and proved. Conditions for the existence of the derivative are presented and discussed. This is done in order to give a better base to the theory of spatial averaging.Latin Letters E ₃ three-dimensional vector space over the field of real numbers - K, K(x) averaging domain - G, G _w, G_s open sets in E ₃; components of the two-phase system - C ¹(G) the set of functions 1-times continuously differentiable in G - W1/2(G) Sobolev space - V volume of the domain K - f function defined in G, G _w - K _infi ^sup* (x), K _infi ^sup– (x) special parts of K(x) Greek Letters boundary of G, G _w, G_s; w-s interface - _ij Kronecker delta - v unit outward normal of G, G _w - _j j-dimensional Lebesgue measure Other M closure of a set M in the metric space E ₃ - f phase average of f for the w-phase - (u, v) scalar product of u, v in E ₃ - one-sided derivatives     

试论静力学在流体力学课程中的地位

从材料的本构方程和基本运动方程出发, 比较了静力学在弹性力学和流体力学中的 地位. 与弹性静力学在弹性力学中占有重要地位不同, 流体静力学在流体力学中仅处 于次要地位, 它不是流体动力学的基础, 而只是一个特例. 确立这种观点有助于提高对流体 力学学科特点的认识, 提高流体力学教学质量.     

进气道入口形状对冲压发动机性能影响数值研究

进气道是冲压发动机设计中非常重要的环节,其入口设计会直接影响冲压发动机的总压恢复系数σ和流量系数φ等重要性能。本文采用二阶迎风隐式TVD格式,内外流分区耦合求解可压缩N-S方程,数值模拟了掺混段出口压力与来流压力比为P/P∞=4.2超临界状态下,二元方形截面“X”型布局进气道、弹体和掺混段一体化通气模型复杂流场。计算比较了两种不同二元进气道入口形状流场和冲压发动机总压恢复系数σ、流量系数φ的结果,对其产生的原因进行了分析。     

表面织构对刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影响

为了研究刀具表面织构对切削性能的影响,通过控制前刀面上微凹坑的直径、深度和面积占有率等参数制备了两组表面高度算术平均值Sa相同的织构刀具.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对织构表面进行测量,采用ISO25178参数对测量表面进行表征;通过SL200KS接触角测量仪测量织构刀具前刀面湿润性的变化;随后在CA6140车床上进行45钢切削试验,研究不同织构对切削力、前刀面摩擦特性、工件表面粗糙度和切屑形变的影响.结果表明:合理的表面织构能够改善刀具的切削性能;切削液在前刀面铺展较快的织构刀具获得了较好的切削性能;凹坑直径、深度和面积占有率的协同作用对改善刀具切削性能至关重要,为了协调这三个织构参数,进一步研究三维表征参数Sku、Ssk、Sv、Vvv、Vvc、Sdv、Sda、Spd与刀具切削性能的关联性,为刀具表面设计提供了基础.     

Analysis of the Influence of the Thickness and the Hole Radius on the Calibration Coefficients in the Hole-Drilling Method for the Determination of Non-uniform Residual Stresses

Experimental Mechanics - The Hole-Drilling method is a semi-destructive technique useful for obtaining residual stress distributions by drilling and measuring relieved strains. The standard for...