复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计

将材料细观结构优化和宏观结构优化结合起来,从结构与材料两个尺度出发,发展复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计方法.在建立平纹编织复合材料细观结构分析模型的基础上,采用细观力学有限元法进行材料刚度性能预测,热-固耦合分析方法进行涡轮导向叶片结构分析.同时以细观结构参数和宏观结构参数为设计变量,以叶片质量最小为优化目标,并要求满足应力和位移方面的约束,进行编织复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计.     

板壳结构选型优化设计

提出了最佳结构型式概念;证明了结构存在最佳结构型式的充要条件;建立了启发式算法;实例计算证明,选型优化不仅可巧妙地融合形状、拓扑、布局优化的优点,而且计算省、结果可靠。     

复杂结构优化选型的计算方法

本文为复杂结构优化选型提供了一个比较实用的计算方法:根据原有结构型式和设计经验来建立优化选型计算模型;对目标函数和约束条件作数学上近似处理后,利用Kuhn-Tucker条件和Lagrange乘子,把选型问题转化为求解典型二次规划问题;引进加权因子和利用改进后的变尺度法使计算过程简化、可靠,而且精度较高.     

考虑结构失稳特征的复合材料机翼气动弹性优化设计

从工程数学求解和有限元分析角度对复合材料结构的稳定性分析方法进行研究,基于这两个方面分别建立了同时考虑壁板稳定性约束和气动弹性约 束的气动弹性优化技术,并以大展弦比复合材料机翼为对象,进行气动弹性综合优化设计。研究表明,机翼气动弹性优化中若不考虑稳定性约束条件,虽然可以获得较小结构重量,但往往不满足稳定性要求;相比从有限元角度考虑结构失稳特征的气动弹性综合优化设计方法,通过工程数学方法对机翼结构进行分区失稳分析优化可以更加精准地控制变量,在满足各项性能指标,特别是稳定性约束的同时,进一步减轻了结构重量,提高了结构失稳因子。     

组合结构结合部动态参数的实验识别方法

根据两种不同的试验情况，提出了相应的利用实测传递函数识别组合结构结合部刚度、阻尼参数的方法，给出了识别过程的数学原理，该方法避免了对实测传递函数矩阵求逆运算，有效地防止了测试误差在识别过程的扩大化，计算机仿真试验表明，本文方法数值计算稳定，识别效果良好。     

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.     

基于变位移约束的结构材料优化设计

针对质量最小化、位移为约束条件的结构材料优化问题,提出了一种变位移约束的结构材料拓扑优化方法。采用分式有理式识别结构材料单元特性参数,以细观单元拓扑变量倒数为设计变量,结合均匀化方法求出宏观结构单元的等效刚度矩阵以及其对细观单元设计变量的导数,进而得到位移的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,得到了以结构质量作为目标函数、位移作为约束条件的连续体细观结构拓扑优化近似模型;并采用对偶方法进行求解。对几种典型结构,进行了考虑单个和多个位移约束的结构材料优化设计,所得结果验证了本文方法的有效性和可行性。     

钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展

钢-混凝土组合结构的抗震性能受到了工程研究领域的广泛关注. 本文总结了国内外研究者在组合梁、组合柱、组合节点及组合框架结构抗震性能方面的试验研究概况,分析了组合构件的作用机理及地震损伤演化累积效应,讨论了钢-混凝土组合结构地震反应分析的数值模型,包括微观模型、宏观模型以及近年来迅速发展的多尺度模型,并阐述了组合结构抗震性能评价指标及抗震性能水平的确立方法.     

带有预应力的连续体组合结构拓扑优化

考虑梁结构的预应力，导出了结构的应力及其灵敏度公式。同时，结合结构单元应力水平和相对差商，对于带有尺寸和拓扑变量的连续体组合结构优化问题，建立了一套优化准则，在双方向渐进结构优化方法思想的基础上，形成了一种新的拓扑优化算法。最后，算例表明了该方法的正确性和有效性。     

基于改进粒子群算法的翼型多目标优化研究

在多目标优化研究中,为改善多目标粒子群算法的局部搜索能力,以标准粒子群算法为基础,引入单点模拟退火算法,局部进化最优个体,采用基于目标向量的共享函数法评价适应值.标准测试函数优化实例表明:本文算法比标准粒子群算法具有更好的收敛稳定性和收敛速度,收敛速度提高了近50%;针对某翼型的气动优化设计结果表明:改进算法有效缩短了优化时间,迭代代数由61减为49,调用CFD由4880减为4250次;阻力系数、升力系数、低头力矩系数分别改进了9.23%、0.42%、16.4%,取得了较好的优化效果.     

APPLICATION OF PENALTY FUNCTION METHOD IN ISOPARANIETRIC HYBRID FINITE ELEMENT ANALYSIS

IntroductionSince T.H.H.Pain firstly puts forward hybrid element method[1]in1964, the researchand application of hybrid element have got great development. T.H.H.Painet al.havemade important pioneer works in the domain of the research on incompatible displacementstructure hybrid elementstress pattern[2,3]in recentdecades. Reference [4] had provided theoptimizing design concept of hybrid element further and established standardization methodof incompatible displacement structure hybrid eleme…     

基于参数化水平集方法的微结构拓扑优化设计

相比于单一材料,复合材料具有轻质高强等优点,拓扑优化方法是设计复合材料的方法之一.本文采用改进的参数化水平集方法,更新了水平集迭代格式,并应用水平集带方法在优化过程中引入中间密度,使水平集方法与变密度法无缝结合以改善水平集方法的拓扑寻优能力,降低其初始设计依赖性.本文以最大化体积模量、剪切模量和负泊松比作为材料设计目标...     

Hahn-Tsai复合材料的非线性杂交应力有限元方法

成功建立了Hahn-Tsai复合材料模型的非线性杂交应力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法求解结构的非线性位移方程。在迭代过程中,为了提高计算效率可采用简单迭代法由节点位移求解单元应力场。但是,当载荷增加到一定程度以后,非线性应力场由于循环迭代而无法收敛,显然,一般的加速方法不能解决这种循环迭代的发散问题。因此,本文发展了一种确实有效的非线性应力场迭代新方法,在不增加计算工作量的情况下,不仅极大地提高了收敛速度,而且对于较大载荷也能够很好地收敛,从而解决了大载荷下非线性杂交元方法失败的关键问题。数值算例表明该方法是确实可行的。     

桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化

研究了桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化问题。建立了以结构重量为目标函数、混合可靠性指标为约束条件的拓扑优化数学模型,针对强度为随机变量和应力为区间变量、强度为区间变量和应力为随机变量两种情况推导了可靠性指标对设计变量的灵敏度计算公式。实例结果表明：混合可靠性拓扑优化的截面尺寸和结构重量相对于非概率可靠性优化都更大,使得结构除了能够容许载荷存在一定变异程度外,也允许位移和强度存在一定变异程度。     

人行荷载下梁式结构振动分析的DQ-IQ混合法

为了评估人行荷载作用下梁式结构的振动舒适度,利用微分求积-积分求积,即DQ-IQ混合法求解移动荷载作用下梁的振动响应。人行荷载作用下梁式结构的振动控制方程是含Dirac函数的偏微分方程,首先利用IQ法离散与时间相关的Dirac函数,再利用DQ法把控制方程转化为二阶常系数微分方程,最后利用Newmark算法求解微分方程。以某钢结构连廊为例,利用DQ法计算结构自振频率并与解析解进行对比,结果验证了节点选取和边界条件施加的合理性,再利用DQ-IQ混合法和振型叠加法分别计算了不同行走步频下连廊的响应,计算结果表明,DQ-IQ混合法具有较高的可靠性和精确性。DQ-IQ混合法也可以推广到诸如车辆荷载作用下路面或桥梁的动力响应等其他移动荷载下结构的振动分析。     

基于混合网格的低声爆反设计方法研究

低声爆设计方法已成为新一代军民用超声速飞机研制过程中必须解决的关键难题之一。针对传统SGD低声爆外形反设计方法无法对声爆近场非线性效应进行描述和分析的缺点,提出了利用CFD方法求解得到的声爆近场压力分布代替F函数进行低声爆反设计的方法。声爆近场预测采用点-点对接的结构/非结构混合网格,充分利用非结构网格对复杂外形适应性强和结构化网格计算效率高的优点。结果分析表明,基于改进后的低声爆反设计方法得到的方案在声爆超压以及感觉噪声级等方面都比基于原始SGD方法得到的方案有较大改善。     

考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的.论文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证.同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述.当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束.     

应用于非凸设计区域桁架拓扑优化的一种基结构生成方法

为了提高桁架拓扑优化设计中非凸区域生成基结构的效率和准确性,介绍了一种基于几何和网格信息生成初始基结构的方法。通过直接将已有几何边界作为碰撞检测的标准,避免对原有边界扩展或构建限制区域,简化了基结构生成过程并可以避免杆件识别不准确的问题;通过减少需要与凹边界碰撞检测的杆件个数来提升整体基结构的生成效率;最后,针对已生成的基结构进行基于塑性准则的桁架拓扑优化。     

具有动应力和动位移约束的离散变量结构形状优化设计方法

讨论了动应力、动位移约束下离散变量状优化设计问题。首先用拟静力算法,将结构惯性力极值作为静载荷施加到结构上,求得结构的动位移和动内力,然后将考虑动应力约束和动作移约束的离散变量结构优化设计问题化为静应力和静位移约束的优化问题。在求解过程中,将单元内力作了一阶近似,并将多约束问题转化为单约束问题,然后利用两类变量统一考虑的离散变量结构形状优化设计的综合算法进行求解。