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.     

基于坐标映射的类周期电磁金属阵列布局设计的灵敏度分析方法

特定性能的类周期电磁金属阵列已成功应用于多种类型的电磁器件中,以实现其电磁辐射或散射性能的提升设计.类周期电磁金属阵列可描述为由多个相似形状的电磁金属单元按照特定的布局形式组合形成.布局形式由阵列的布局参数确定,通常包括每个单元的尺寸、转角以及位置参数.布局参数往往规模较大且相互独立,需要经过设计优化以满足阵列的性能要...     

左手材料微结构构型的传输线比拟模型

提出了基于传输线比拟模型的左手材料微结构设计方法,并对此进行了分析、验证.首先根据已有的具有左右手性质的基本传输线模型,通过类比构建了具有左手性质的新模型,进而通过定性分析传输线网络中的各元件与微结构连续介质构型的形状及尺寸的对应关系,推断出模型中各部分的具体尺寸,从而得到了一个合理的左手材料微结构构型及其对应的传输线比拟模型.对设计的模型进行了实验测试,验证了模型确实具有左手性质.最后,通过数值模拟和实验,研究了微结构的各个尺寸参数对材料出现左手性质的带宽和频段的影响,确定了微结构中对左手性质影响最大的尺寸参数.     

基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法

天线小型化设计需要基于先进的设计方法,基于拓扑优化的设计往往存在灰度单元,因此设计结果无法直接应用,需要进一步规整设计。而对于电磁金属结构,粗糙的规整方法会引起结构性能的很大变化以致偏离最优结果。提出一种拓扑优化和形状优化相结合的方法,用于金属天线结构的小型化设计。该方法通过拓扑优化获得金属天线结构的概念构型,进而利用形状优化对概念构型进行边界规整和精细化设计。形状优化方法采用多控制点贝塞尔曲线描述拓扑概念构型,通过贝塞尔曲线控制点的移动实现天线构型的调控。给出了贝塞尔曲线控制点的设置原则,基于拓扑优化得到场量分布结果,利用较少的贝塞尔曲线控制点实现天线拓扑构型结构特征的有效调控。该方法可以获得无灰度单元残留的拓扑结果,同时可有效避免密度阈值规整方法中天线性能改变的问题,并且获得的拓扑构型边界光滑。数值算例表明拓扑优化和形状优化相结合方法的有效性。此外,该方法可拓展到其他类型电磁器件的优化设计中。     

基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构设计与性能分析

变体飞机根据不同飞行状态改变机翼形状以获得最佳的气动效能，从而提高在多工况下执行多目标任务的能力。表面结构的柔性蒙皮设计是实现变体结构的关键，需要设计具有足够协同变形能力的同时，还能够承受表面的气动载荷、保持光滑气动外形性能的柔性蒙皮结构。针对这一需要，本文提出一种基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构（Ω形柔性蒙皮）。利用参数优化技术以最小化构型变形方向的刚度为目标确定Ω构型的拓扑结构；推导出Ω形蜂窝柔性蒙皮结构的面内等效弹性性能预测公式，并通过数值仿真分析了该结构的面内变形性能和面外承载能力。通过与蛇形蜂窝和正余弦蜂窝两种夹芯式柔性蒙皮结构的面内变形能力的对比分析，验证了该柔性蒙皮的良好性能。结果表明，所提出的Ω形柔性蒙皮结构具有良好的面内可恢复的大变形能力和面外承载能力。     

基于模糊数学的贴片式左手超材料微结构选择方法研究

研究了基于模糊数学的贴片式左手超材料结构的选择机制,其核心思想是基于现有左手超材料结构构建左手材料微结构集合,将集合中结构的特性参数以某种隶属函数映射到[0,1]区间,用隶属度表示各元素对设计需求的符合度;根据模糊目标及约束的隶属度确定元素的模糊优越集,最终找到最适合于相应设计的结构方案。给出了材料库中每种结构方案相对于模糊目标及约束的隶属度的确定方法。为了验证所提出选择方法的可行性,建立了不同拓扑形式的左手超材料构型集合和不同尺寸的巾型构型集合,针对具体的设计目标和约束要求,计算了相应集合的模糊优越集,给出了最适合的个体元素排序,计算结果表明本文提出的结构选择方法可选出满足设计要求的结构构型。     

具有特定频段的左手材料构造与设计优化

为研究具有特定频段的左手材料设计方法. 首先基于传输线理论构造了一种左手材料微观构型, 采用S参数反演法进行数值仿真和等效传输线模型分析, 说明了该构型在特定的尺寸条件下具有左手特性, 并分析了尺寸参数对左手性能的影响. 进而给出了在给定频率附近具有最大带宽、较小损耗的左手材料设计优化问题的数学模型, 并给出了设计实例. 数值设计结果验证了优化模型的适用性和正确性.     

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。     

基于77GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法

阵列天线是77 GHz毫米波雷达的核心硬件之一，其天线性能决定着雷达的探测能力。由于工作频率的升高以及毫米波雷达小型化、集成化的发展趋势，使得雷达阵列天线阵元间距过密，从而相互干扰出现强互耦效应，严重恶化雷达阵列天线的性能。为了解决上述问题，本文提出了一种基于77 GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法。该方法通过优化周期性条形阵列解耦结构单元的条形厚度和间距，在保证阵列天线辐射性能的基础上，来抑制毫米波雷达接收天线阵元间的互耦并提高其阵元间的隔离度。仿真结果表明，相比于无解耦结构的阵列天线，提出的解耦结构能够有效地降低毫米波雷达接收天线间的耦合，尤其在中心频率77.75 GHz处互耦减少了13.29 dB。在施加周期性条形阵列解耦结构前后，阵列天线均在77.5 GHz～78.5 GHz指定频段内正常工作，且合成辐射方向图的最大增益几乎保持不变，从而保证了毫米波雷达阵列天线的辐射性能。典型的数值算例能够很好地验证所提方法的有效性。