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．     

形状记忆合金力学行为与应用综述

本文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述。分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用。介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点。详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状,特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨。     

增材制造316钢高周疲劳性能的微观力学研究

由于增材制造逐层累积的工艺特点, 其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料. 在航空航天、核工业以及医疗领域中, 对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用, 这制约着增材制造技术的进一步推广使用. 本文以增材制造316钢为对象, 通过仿真手段研究其高周疲劳性能, 研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因. 根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能, 其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为. 为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能, 本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响. 最后, 为了验证所提微观力学模型的有效性, 本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果. 与实验结果相同, 仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.      

封面故事

<正>高速飞行器是航空航天和国防高技术装备领域的重要发展方向,具有重大战略意义。高速飞行器必须在极高的飞行速度下满足远射程、长航时、高机动等性能要求,如何降低结构重量系数关系到飞行器性能指标的实现与全面提升。围绕工程研制需求,航天科工三院、西北工业大学、大连理工大学利用结构优化技术,大幅提升了高速飞行器结构零/部件的承载效率和轻量化设计水平,显     

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.     

惯性载荷作用下结构拓扑优化

针对惯性载荷作用下的结构拓扑优化设计问题,基于结构整体柔顺度的灵敏度计算公式的推导,阐述了此类问题目标函数的非单调特征;根据载荷与单元刚度的设计相关性,分析了多种材料插值模型对优化结果和迭代过程的影响. 在此基础上,提出可变参数的RAMP模型,对不等式体积约束和纯自重作用下的拓扑优化问题,通过稳定的优化迭代过程得到逼近理论最优解的优化结果. 理论分析和数值算例表明,设计相关惯性载荷导致结构柔顺度的灵敏度不再永远为负值,即柔顺度不再是单调减函数;惯性载荷作用下拓扑优化结果并不总是达到体积约束上限,即材料用量越多结构刚度未必越大;已有的ESO和MP类优化方法的优化结果存在明显的区别,而选择适当的材料插值模型能够很好的将两类优化方法的结果统一起来.      

结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。     

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

基于多点自由度约束的方向性保形拓扑优化设计方法

保持飞行器气动面、功能面等型面的精确外形是飞行器刚度设计的重要内容.为控制飞行器结构局部区域的翘曲变形模式,抑制特定方向上有害的翘曲变形,提出考虑结构方向性保形约束的拓扑优化设计新方法.一方面,引入由保形区域内有限控制点生成的人工附加弱单元(artificial weak elements,AWEs),使控制点各自由度位移通过多点自由度约束(multi-point constraints,MPCs)传递到AWEs上,约束AWEs的变形能可以实现对保形区域翘曲变形的抑制;另一方面,合理配置多点自由度约束,将需要抑制的特定方向上自由度耦合到AWEs上,从而实现方向性保形优化设计.数值算例证明所提出的优化设计方法能在结构刚度拓扑优化设计的基础上实现对局部保形区域在特定方向上翘曲变形的有效控制,与已有约束所有自由度翘曲变形的保形拓扑优化设计相比,方向性保形优化设计在变形控制效果上更加具有灵活性.     

从机翼薄壁盒结构设计中引出的问题

以结构稳定性作为切入点，利用多格薄壁盒来模拟机翼结构的主要承力部分，能够既保留问题实质又降低复杂性．模型曲线形状表明：该优化问题为非凸不连续，具有多个局部最优解；优化结果指出：(1)替换材料，(2)增减载荷大小，(3)改变几何参数，最优结构拓扑形式均要发生变化．因此，无论从学术研究还是工程应用，基于稳定性约束的机翼结构优化均是一个值得研究的内容．