Optimum design of hierarchical stiffened shells for low imperfection sensitivity

A concept of hierarchical stiffened shell is proposed in this study, aiming at reducing the imperfection sen- sitivity without adding additional weight. Hierarchical stiffened shell is composed of major stiffeners and minor stiff- eners, and the minor stiffeners are generally distributed between adjacent major stiffeners. For various types of geo- metric imperfections, e.g., eigenmode-shape imperfections, hierarchical stiffened shell shows significantly low imper- fection sensitivity compared to traditional stiffened shell. Furthermore, a surrogate-based optimization framework is proposed to search for the hierarchical optimum design. Then, two optimum designs based on two different opti- mization objectives （including the critical buckling load and the weighted sum of collapse loads of geometrically imperfect shells with small- and large-amplitude imperfections） are compared and discussed in detail. The illustrative example demonstrates the inherent superiority of hierarchical stiffened shells in resisting imperfections and the effectiveness of the proposed framework. Moreover, the decrease of imperfection sensitivity can finally be converted into a decrease of structural weight, which is particularly important in the development of large-diameter launch vehicles.     

基于三维接触有限元分析的管片等效抗弯刚度和错台研究

针对盾构隧道管片接头等效抗弯刚度预测研究中，对梁-弹簧与三维模型整体等效性考虑的不充分，以三维接触有限元计算结果作为测量信息，借助基于挠度等效的反问题求解，提出了一种确定管片接头等效抗弯刚度的新方法；并利用不同轴力-偏心距组合下的反演结果，建立了基于Kriging代理模型的轴力-弯矩-等效抗弯刚度的非线性关系，提出了由此关联的管片结构非线性问题的数值求解方法。与三维有限元结果相比，所提方法可较为准确地预测管片结构的内力和变形，表现出良好的整体等效性。此外，借助三维接触有限元分析，进一步深入探讨了螺栓孔间隙与衬垫本构关系对管片纵向错台量的影响。     

时变系统地面颤振模拟试验方法研究

地面颤振模拟试验是一种颤振验证的全新试验技术，可作为当前颤振验证试验手段的有效补充。飞行器在实际飞行过程中，结构的动力学特性及承受的载荷是不断变化的，对于受气动加热影响的高超声速飞行器，这一时变特性则更加显著。本研究提出了基于代理模型的时变参数非定常气动力模型建模方法，建立了基于PID控制器的时变系统地面颤振试验方法，并通过标准试验件进行测试验证。试验结果表明，本研究提出的非定常气动力建模方法能够准确获得具有时变特性的气动力模型，建立的地面颤振试验方法能够有效应对颤振系统的时变特性获得准确的结构颤振边界数据。     

基于多重子域代理模型的结构可靠性分析

基于合理子域概念，构建多重代理模型。多重代理模型在合理子域内采用经典响应面模型，在合理子域外采用经典Kriging模型，能够充分利用两种经典模型各自的优势。多重代理模型能够合理规避经典响应面模型中响应函数采取事先假定形式带来的可靠度评估风险，同时能够有效避免经典Kriging模型中试验点组合爆炸的问题。相比经典响应面模型，多重代理模型所需试验点数量并未增加，计算效率与经典响应面模型大体相同。算例表明，本文方法的计算结果与MCS的计算结果几乎一致，具有较好的计算精度。     

基于改进粒子群算法的翼型稳健型气动优化设计

基于标准粒子群算法,将位移变化作为影响微粒速度的变量,使得粒子群算法关于粒子位置为二阶精度函数,加快了收敛速度；进一步地在粒子速度更新公式中引入振荡环节,提高了群体多样性,改善了算法的全局收敛性.以改进粒子群算法为基础,结合气动分析程序、代理模型以及翼型参数化方法,构建了翼型稳健型气动优化设计系统.针对某型客机的基本翼型以及翼梢小翼翼型气动优化设计结果表明,优化后的翼型气动特性相对于初始翼型在较宽的设计范围内都有了大幅度提高.     

低温介质质量传输空化模型的代理分析及优化

利用基于代理模型的整体敏感度分析方法，对考虑模型参数和物质属性的低温介质质量传输空化模型进行了评价，从而获得影响预测精确度的主要因素，并对空化模型参数进行了校准。结果表明：凝结系数对压力和温度预测精度的影响较大，整体敏感度分别为44%和29%；蒸发系数的影响较小，整体敏感度均小于5%。通过代理模型优化分析获得了Merkle空化模型对压力和温度的预测精度随凝结系数的变化趋势：当凝结系数小于20时，随凝结系数的增大，压力预测精度提高，温度预测精度降低；当凝结系数大于20时，压力和温度的预测精度均随凝结系数的增大而降低。优化后的蒸发系数和凝结系数分别为3.8和19.43，满足Pareto最优解，模型预测能力得到提高。     

基于代理模型和等效刚度模型的加筋柱壳混合优化设计

针对轴压作用下的加筋柱壳后屈曲性能优化计算较大的问题,本文提出了一种基于代理模型和等效刚度模型的混合优化策略,即运用基于等效刚度的平铺模型进行有限元后屈曲分析以代替试验设计中大量的精细加筋模型分析,并通过控制等效模型的单元尺寸来调整其分析精度,而等效刚度模型计算时长仅约为精细加筋模型的1/3。对构建的代理模型采用多岛遗传算法进行极限承载力等约束下的轻量化设计,调用精细模型有限元后屈曲分析对代理模型进行更新,从而保证代理模型的拟合精度并得到优化解。工程算例结果表明,本文提出的混合优化方法,使加筋柱壳结构在满足承载力情况下减重效果明显。     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用，其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异，含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此，考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应，对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型，基于径向基函数（RBF）神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型，对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析；同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响；最后，利用RBF神经网络代理模型，开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

多学科设计优化中常用代理模型的研究

代理模型是多学科设计优化的关键技术之一。本文系统介绍了多项式响应面模型，径向基函数模型和Kriging模型等3种多学科设计优化中常用的代理模型。通过构造某机翼展向气动载荷分布的代理模型，对这3种模型的效果进行了评估，并对这些代理模型的构造方法、基本特性和适用范围进行了分析研究。     

随机湍流工况低雷诺数风力机翼型优化研究

为改善小型风力机随机湍流工况适应性,以NACA0012翼型为研究对象,采用非嵌入式概率配置点法,获得随机湍流工况下小型风力机叶片翼型运行攻角分布规律;在气动优化中耦合层流分离预测,基于Transition SST模型、拉丁超立方试验设计、Kriging模型和带精英策略非支配排序遗传算法NSGA-II进行高湍流低雷诺数风力机翼型气动优化。结果表明,优化翼型叶片平均风能捕获效率分别提高3.01%和4.76%,标准差分别降低4.76%和14.93%,优化翼型湍流适应性增强。该方法将翼型设计与湍流风况相匹配,为湍流工况低雷诺数翼型及小型风力机设计提供参考。