基于可靠性的车辆防护组件优化

在传统的优化流程中,不考虑设计变量的不确定性将引起设计目标的性能波动,甚至设计失败。为提高军用车辆底部防护能力,针对一种车辆防护组件进行了可靠性优化。在爆炸防护优化中引入多目标可靠性优化,通过实验设计和灵敏度分析筛选设计变量,再构建并选择准确度最高的代理模型,运用多目标遗传算法完成防护组件的可靠性优化。实验和数值模拟结果表明,优化后的防护组件满足防护性和轻量化的要求,且设计的可靠性得到了提升,可为后续防护组件设计生产提供参考。     

一种基于特征值反求的复合材料层合板波动特性的近似修改方法

采用一种特征值反求形式的方法用来近似层状复合板的波动特性修改。通过敏感度分析,确定层合板中能最显著地改变结构波动特性的结构参数为设计变量。采用二阶泰勒展式近似特征值和特征频率相对于设计变量的改变率。计算了不同结构变化时的色散特性,并与精确计算结果进行了比较。结果证明本方法对于层状复合板波动特性修改的近似是可行并且有效的。     

基于微分进化的增升装置设计及重要性分析

在现代民用飞机初步设计阶段,快速设计出高气动性能的增升装置是民用飞机设计瓶颈因素.本文通过增升装置气动外形参数化和微分进化优化算法搭建民机低速构型一体化设计和优化平台,并引入参数化变量重要性测度分析方法,计算对于设计目标升力系数的影响程度大的因子,分析出缝道宽度和后掠角参数化变量对升力系数的影响起主要作用.优化设计结果表明:优化构型升力系数增加,失速迎角增大,并且大大的提高了优化效率.     

配点型区间有限元法

在分析Taylor展开``点逼近'区间有限元法不足的基础上, 提出了基于Chebyshev第一类正交多项式全局逼近目标函数的配点型区间有限元法. 该方法不需要计算目标函数对不确定性变量的灵敏度, 不要求不确定性变量的变化范围为小区间, 并适合求解目标函数为不确定变量非线性函数的情形. 目标函数正交展开式的系数采用Gauss-Chebyshev求积公式得到,故需要在不确定性变量所在区间内配置高斯积分点. 计算目标函数在高斯点的取值是该方法的主要工作量, 当不确定性变量数为m, 并选用高斯十点法进行积分时, 需要对系统进行12$m$次分析. 算例表明, 在其他区间有限元法失效的情况下, 配点型区间有限元法依然能够得到几乎精确的区间界限.      

基于结构可置信性鲁棒优化算法的离散优化问题研究

传统优化设计认为问题的参数(如材料属性和外加载荷等)是确定的,并且设计变量通常是连续的.而在实际应用中产品制造和测量等存在不可避免的误差,并且工程需要的设计结果(如钢筋截面尺寸等)往往是离散的.即使对于考虑了不确定性参数影响的连续最优解,经过圆整处理后也很可能产生较大偏差甚至变得不可行.针对该难点,本文结合非概率不确定...     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件,但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性,对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型;以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考.结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至19.90%和33.49%.来流风速不确定性导致叶片根部位置气流明显波动,可以考虑在该部分采取流动控制措施降低叶片对风速不确定性的敏感程度.     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件, 但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性, 对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型; 以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象, 基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考. 结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至19.90%和33.49%.来流风速不确定性导致叶片根部位置气流明显波动,可以考虑在该部分采取流动控制措施降低叶片对风速不确定性的敏感程度.      

基于Chebyshev展开的区间穿孔板超材料分析

目前对于声学超材料的传输特性分析和优化大多是基于确定的数值和确定的模型,然而在实际工程和结构设计中存在大量材料自身特性和几何物理参数的不确定性.如果忽略这些不确定变量对声学超材料传输特性分析和优化过程的影响,得到的结果可能不正确.针对这一现状,拟将切比雪夫区间模型引入多层穿孔板超材料,提出多层穿孔板超材料声学透射率的区间切比雪夫展开-蒙特卡洛模拟法(interval Chebyshev expansionMonte Carlo simulation method,ICE-MCSM).该方法采用截断切比雪夫多项式近似拟合多层穿孔板超材料的声学透射率响应曲线,构造声学透射率响应曲线的切比雪夫代理模型;然后采用蒙特卡洛模拟法(Monte Carlo simulation method,MCSM)随机生成一定数量的不确定区间变量的样本数据点,并将生成的不确定区间变量样本数据点代入切比雪夫代理模型,预测单个不确定区间变量和多个不确定区间变量条件下的多层穿孔板超材料声学透射率区间的上界和下界.数值分析结果表明,ICE-MCSM预测的声学透射率变化区间的上界和下界与直接蒙特卡洛法(direct Monte Carlo simulation method,DMCSM)预测的声学透射率上界和下界的结果非常接近.与DMCSM相比,ICE-MCSM具有更高的计算效率.因此,ICE-MCSM可有效且高效地分析不确定区间变量条件下多层穿孔板超材料声学透射率传输特性,具有良好的工程应用前景.     

基于区间的不确定多目标优化方法研究

基于非线性区间优化,提出了一种不确定多目标优化方法.基于区间序关系和区间可能度,把不确定多目标的目标函数和约束转化为确定性的目标函数和确定性的约束.对于复杂的工程优化问题,为了提高效率,采用拉丁方试验设计方法,构建响应面近似模型,并基于近似模型进行不确定多目标优化,从而形成了非线性区间优化方法与近似模型相结合的高效不确定多目标优化方法.数值算例表明了该方法的有效性和工程实用性.     

考虑频率和应力约束的索网式天线多目标优化设计

为确保天线的表面精度和工作性能,综合考虑了天线结构重量、频率、布局等诸多因素,提出了基于优化的设计方法来平衡这些因素.以绳索预张力大小、纵向调整索数目、辐射单元数目为设计变量,结构重量和网状反射面的均方根误差最小为目标函数,应力和频率为约束条件,建立了索网式可展开天线设计的多目标优化数学模型.并将多目标化为单目标用遗传算法进行了求解,结果表明:在结构表面精度达到约2mm 的条件下,结构重量能减轻12%.这表明文中所提出的优化设计方法是有效可行的,对网状天线结构的设计具有一定的指导意义.     

基于区间模型结构稳健性优化设计

采用区间变量描述结构不确定性参数,对不确定变量进行标准化,借用超椭球模型分析思路,对优化过程中的变量进行分类,突出稳健性优化设计特点,重点描述基于区间模型稳健性优化的基本思想方法.采用目标性能分析方法,强调指定可靠性指标的唯一性,将变量划分为两类,考虑约束条件从特殊到一般,给出了稳健性优化的具体算法、求解步骤和迭代收敛准则.对实际算例进行了分析与求解,与已有结果比较,验证了论文方法的正确性和有效性.     

精密及缺陷信息条件下的结构可靠性设计

概率方法一直以来被认为是处理不确定现象的最有效的方法.传统的概率可靠性模型建立在随机变量的分布函数基础上,需要较完整的数据信息.在结构设计问题中,有关载荷、抗力等影响因素的统计数据一般是稀少的或缺乏的,信息往往以非完整的形式出现.此外,结构的安全设计还需考虑结构和环境的相互作用,结构设计、分析、评价以及制作过程中可能存在的误差等,有些不确定因素不能归于随机性.因此,需要发展新的结构可靠性设计模型和方法,以克服传统的概率可靠性方法的局限和不足.本文对精密及缺陷信息条件下的可靠性设计模型和方法进行综述,内容包括随机可靠性设计模型与方法、非完整信息下的可靠性分析和设计、模型误差和主观不确定的影响、复杂系统优化求解策略、以及今后的研究展望.      

变截面悬臂梁的形状优化

讨论变截面悬臂梁的形状优化.围绕这一问题,对设计变量的选择做了有益的探讨,以避免无效的设计变量选取导致不真实或不可行的设计.     

TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR GEOMETRIC STABILITY OF STRUCTURES WITH COMPENSATION DISPLACEMENTS

大量工程问题要求结构的局部区域在不同承载工况下保持位移响应的几何稳定性. 在结构的特定区域引入可以随承载工况调节的补偿位移是实现这一目标的有效手段. 在线弹性小变形范围内,通过最小的变形控制成本,研究了多工况下使结构特定位置的位移响应保持几何稳定性的拓扑优化问题. 设计目标为在保持结构位移响应几何稳定性的同时实现结构的最大刚度;优化模型包含两类设计变量:结构拓扑变量及补偿位移变量,两类变量采用分层寻优技术进行耦合. 采用伴随法分别推导了目标函数对两类设计变量的敏度求解格式. 结果表明,该优化模型能够在兼顾成本的同时较好地实现结构的变形控制目标.     

混凝土复合介质爆炸的不确定优化设计及其高效求解方法

研究不确定因素对炸药在混凝土复合介质中爆炸的影响,并在不确定因素的影响下进行优化设计。用区间数模型来描述系统中的不确定参数,建立相应的区间数优化模型;通过高维代理模型的引入,以及对其中二层嵌套优化问题进行直接解耦,得到了一种高效的求解方法。研究表明：算法经过8个迭代步收敛到最优解,最优解得到的最佳炸药装填深度约为64cm,最佳姿态角约为30°;经过三个迭代步就能迅速定位到最优解附近。算法保证了在最大化毁伤面积的同时,尽量地追求不确定因素影响最小,即综合考虑了毁伤最大和偏差最小。该不确定优化设计方法能有效地推广到相关领域的优化设计,为处理爆炸系统的装药设计和爆炸初始状态参数设计等方面提供了新思路。     

基于区间模型的结构非概率可靠性优化

采用区间变量描述不确定参数,研究了结构非概率可靠性优化问题。基于区间模型描述不确定信息这一前提,针对Elishakoff的非概率可靠性指标,给出了其几何解释和求解方法。建立了以结构重量为目标函数、以非概率可靠性指标为约束条件的非概率可靠性优化模型。算例分析表明:该非概率可靠性优化方法能够考虑不确定信息的影响,对结构重量进行合理分配。该方法为结构非概率可靠性优化提供了一种新的思路。     

基于概率和非概率混合模型的结构鲁棒设计方法

讨论了同时存在概率不确定性量和非概率不确定性量时可行鲁棒性和目标函数鲁棒性的实现策略,提出了基于概率和非概率混合模型的结构鲁棒设计方法。基本做法是首先视非概率型不确定性量为参变量,按照传统概率统计的方法计算约束函数和目标函数的均值和标准方差,然后再考虑非概率型不确定性量的波动变化对约束函数和目标函数统计特征量的影响,以修正常规可行鲁棒性和目标函数鲁棒性的数学模型。所提方法应用于一个10杆桁架结构的最轻质量设计和节点位移鲁棒设计,获得了对不确定性量波动变化不敏感的设计方案。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

结构安全性设计的通用表达式

针对现行结构安全性设计表达式在灵活性、通用性、可靠度控制方面的缺陷以及国际标准中设计值法在实用性方面的不足,提出了结构安全性设计的通用表达式。根据计算可靠指标的JC法和作用的随机过程组合方法,建立了基本变量设计值与基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限之间的函数关系;将设计值表达为基准设计值与分项系数的乘积,给出了两者的计算公式;最后按此设计值的形式提出了结构安全性设计的通用表达式。对比分析表明通用表达式具有如下优点:可直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限对设计结果的影响;可完整考虑各种不确定性的影响,包括作用效应分析中计算模式、相关结构性能不确定性的影响;在各分项系数中可全面反映目标可靠指标的影响,更好地实现对可靠度的控制;可合理设置不同基本变量的设计使用年限系数;可统一作用、抗力代表值的取值方法,提高设计人员调整分项系数的可行性。研究结果为建立结构安全性设计的通用方法提供了参考。     

结构适用性设计的通用表达式

针对目前的结构适用性设计法在灵活性、通用性、可靠度控制精度方面的不足,提出了结构适用性设计的通用表达式。借鉴设计值法的基本思想,采用作用的随机过程组合方法和可靠指标计算的JC法建立了基本变量设计值与基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限之间的函数关系,并将设计值表达为基准设计值与分项系数的乘积;根据两者的计算公式,最终按设计值的形式提出结构适用性设计的通用表达式。对比分析表明,通用表达式有以下优点:可直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限对设计结果的影响,引用作用和结构性能的最新统计结果,建立新材料、新型结构的可靠度设计方法;可完整考虑各种不确定性的影响;便于设置和选择不同的目标可靠指标和设计使用年限;由于目标可靠指标的影响全面反映于各分项系数中,可更好地实现对可靠度的控制。研究结果为建立结构适用性设计的通用方法奠定了基础。