基于几何不确定性的翼型多目标稳健优化设计

提出在优化设计进程中引进基于各种不确定性波动的稳健优化设计思想, 进行多目标进化优化算法与代理模型技术在稳健优化设计中的应用研究. 提供翼型确定性优化和稳健性优化实例, 并对结果进行对比, 结果表明该稳健优化设计方法可以得到更有实际应用价值的翼型气动外形.      

Design optimization for manufacturability of axisymmetric continuum structures using metamorphic development

In this study, optimal shapes/profiles of axisymmetric continuum structures optimized for performance and manufacturability are sought, using a topology/shape optimization method called metamorphic development (MD). The optimization seeks to find an optimum cross-sectional profile and minimum weight design, subjected to von-Mises stress constraints under coupled thermal and pressure loadings. Both quadrilateral and triangular finite elements (FE) were used to ‘metamorphically’ develop the structure. Two different design optimization approaches were taken, by defining a set of finite ‘restricted’ and ‘unrestricted’ design domains. Manufacturability of the optimized structures was considered. Prior to manufacturing, a post-optimization process was performed. A comparison was then performed for both sets of optimized solutions to demonstrate whether the ‘restricted’ design domain solution gave greater or lesser performance characteristics compared to the ‘unrestricted’ design domain solution which could only be manufactured by additive manufacturing technologies (AMT). The results of the optimization demonstrated the success of the MD method in generating practical design solutions which meet both performance requirements and manufacturing considerations.     

金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.      

基于渐进演化策略的增材制造自支撑结构拓扑优化算法

拓扑优化和增材制造分别是先进的结构设计技术和制造技术,将拓扑优化与增材制造融合能产生显著的协同效益.增材制造存在一些独特的制造约束,研究考虑结构自支撑约束的拓扑优化算法,可以降低材料和时间成本.基于SIMP方法框架,建立显式约束函数模型表征结构的自支撑特性,并发展了相应的拓扑优化流程,通过结构渐进演化实现自支撑.研究了相应的灵敏度分析方法,可实现并行计算.提出一个指向性灵敏度过滤算子促进支撑结构演化.采用3个数值算例进行分析,验证了指向性灵敏度过滤的有效性,所有拓扑优化结果均实现了结构自支撑.与典型方法相比,优化结果的可制造性更好.     

Fractional order models for the homogenization and wave propagation analysis in periodic elastic beams

Meccanica - The advancement of manufacturing techniques has led to a rapid increase in the design and fabrication of periodic and architectured materials for a variety of dynamics and wave...     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展,高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势.传统结构研究存在结构设计和制造相互分离,复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题.此外,先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高,亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究,为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持.轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势,在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力.有鉴于此,受多晶体微结构的多尺度力学设计启发,以“点阵超结构力学设计”为主题,开展点阵超结构的节点、杆件组元,胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计,并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法,以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.     

Influence of manufacturing errors on dynamic floating characteristics for herringbone planetary gears

Owing to the present of manufacturing errors, the dynamic floating characteristics of herringbone planetary gear train (HPGT) can be changed in comparison with the original ideal design. In this research, based on the actual structure of herringbone gears, taking into consideration manufacturing eccentric errors and tooth profile errors, bearing deformation, time-varying meshing stiffness, gyroscopic effect, and so on, a novel and generalized bending–torsional–axial coupled dynamic model of a herringbone planetary gear train is presented to investigate the dynamic floating performances applying the lumped-parameter approach. The model is capable of being employed for the vibration behavior analysis of the HPGT with different types of manufacturing errors and arbitrary number of planets. The variable step Runge–Kutta algorithm is utilized to compute the dynamic responses of the HPGT system. In combination with the proposed computational approach of the component floating displacement amount, the relationship among manufacturing errors, component floating displacements, and different floating forms is obtained, and the effects of manufacturing errors on the HPGT dynamic floating performances are discussed. Meanwhile, sun gear radial floating trajectories in two cases of sun gear float and non-float are compared and analyzed. Results indicate that the manufacturing error and component float prominently affect the dynamic floating characteristics in the HPGT system.     

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠。透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高。目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600?C,未来还将向1700?C及以上发展。这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层（TBC）技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用。本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,涉及理论、实验和数值分析几个方面。主要内容包括：TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物（TGO）及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物（CMAS）渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等。     

面向不锈钢地铁整车结构的显式拓扑优化设计

受限于制造要求和较大的计算规模，整车级的列车拓扑优化为列车设计阶段的难点之一。本文面向不锈钢地铁整车结构设计，开展基于可动变形组件法（Moving Morphable Component, MMC）的显式拓扑优化研究。根据某不锈钢地铁车体结构设计需求，依据EN 12663标准，建立了地铁车体结构MMC拓扑优化数学模型，同时给出了适用于列车的拓扑优化设计流程，搭建了完整的显式拓扑优化框架下的地铁车体结构优化算法平台。基于MMC方法，可以直接获取不锈钢地铁车体整车级传力路径，数值算例验证了本文算法的优势。     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

微纳米点阵力学超材料的设计和性能

在过去几年中,增材制造技术的不断涌现促进了点阵力学超材料研究的迅猛发展.本文主要介绍三维微纳米点阵力学超材料的性能和设计,强调点阵单胞基本单元的演化发展:从桁架到平板再到曲面,如何降低结构内部的应力集中,一步步实现理论预测的各向同性的Hashin–Shtrikman极限刚度.并对这一类力学超材料在生物医药、能源环境等领...     

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

大飞机研制中的若干复合材料力学问题

简要介绍了先进复合材料在当代大型飞机结构中的应用状况,以及相关的力学问题,着重论 述了复合材料及结构的工艺力学、跨尺度材料/结构一体化设计问题和力学性能表征、高效复 合材料结构设计和力学分析、复合材料损伤容限与耐久性设计、大型飞机的安全监测和管理 系统等. 指出,从目前国际上以及我国复合材料在大型飞机结构上的应用趋势来看,我们需 要进一步发挥广大力学工作者与相关领域科研人员和工程师的协同作用,提高我国复合材料 基础研究和应用水平,使复合材料在提升我国研制的大飞机的先进性和竞争力方面发挥重要 的作用.     

考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化,研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题.采用ABAQUS有限元软件建立层合板的有限元模型,选用S4壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态,并进行详细的参数分析.研究结果表明:当起始角相同时,含或不含制作缺陷的层合板的屈曲...     

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

多自由度振动结构的随机优化方法

多自由度振动结构的随机优化问题的求解一般要比确定性优化问题的求解复杂得多，也没有行之有效的算法．本文利用概率原理，把随机优化问题转化为等价的确定性优化问题，优化参数取作随机设计变量的均值和标准差，并把该方法应用于多自由度线性扭振系统，在得设计参数的最优均值的同时，还得到了相应的最优标准差，为工程技术人员控制结构零部件的加工精度提供了依据．算例表明该方法是有效的，随机优化的结果比确定性优化的结果好得多．同时，在算例中还讨论了随机设计参数的标准差对优化结果的影响．     

动态结构系统的频率可靠性稳健设计研究

针对随机动态结构系统振动问题进行研究,提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法;在此基础上,推导出频率可靠性灵敏度计算公式,研究设计参数的改变对随机动态结构系统频率可靠性的影响,给出各随机参数可靠性灵敏度的变化规律;并将频率可靠性及其灵敏度分析方法与可靠性优化设计方法相结合,提出了频率可靠性稳健优化设计方法,同时以一简化的两自由度的车身-车轮-路面关系的1/4离散系统模型为例,对该模型进行了频率可靠性稳健设计的研究,其理论计算结果与工程实际情况完全一致,也说明了所提方法的有效性和实用性,为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的理论依据。     

Aluminum-reinforced epoxy models

This paper discusses test applications, fabrication methods, and stress-analysis techniques which have been developed on aluminum-filled epoxy models. The use of aluminum-reinforced epoxy models as a preliminary design tool has found extensive application in the development and modification of aircraft structures and related components. The range of uses has varied from the effects of adding or removing material in order to optimize a design, to a full experimental stress analysis of a complete part under multiple-loading conditions. This technique when used in conjunction with photoelastic coatings and/or strain gages, provides complete kinematic and design information before production, tooling, manufacturing and engineering expenses are incurred. The paper discusses machined and molded models, material properties including time-modulus criteria and viscoelastic-creep phenomena, model rework, photoelastic-coating reinforcement and strain-gage effects.     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.