多工况下具有体系可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计

建立了多工况下具有位移和体系可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计数学模型.针对结构体系可靠性约束处理的困难,提出了一种通过可靠性分配和再分配的方法,将体系给定失效概率依据敏度信息分解为各杆件失效概率之和,并利用可靠性安全系数和结构力学的基本关系,将诸位移和应力概率约束等价显示化为设计变量的显示线性常规约束形式.对于多约束则采用了紧约束处理,并用修正的单纯形法进行优化设计.算例表明了该方法的可行性和有效性.     

基于随机响应面法的可靠性灵敏度分析及可靠性优化设计

基于随机响应面法建立了可靠性灵敏度分析方法,并将其用于结构可靠性优化设计。建立的方法利用随机响应面法将隐式的结构响应函数转换成显式函数,在显式的响应函数基础之上求解失效概率和进行可靠性灵敏度分析,得到的可靠性灵敏度能为基于函数梯度的优化算法提供梯度信息。算例表明,本文提出的可靠性灵敏度分析方法具有较高的效率和精度,提高了结构可靠性优化设计的效率。     

结构元件可靠性拓扑优化设计方法评述

结构元件可靠性拓扑优化考虑了工程实践中不确定因素的影响,对于结构可靠性设计具有重要意义. 本文将结构元件可靠性拓扑优化设计方法分为嵌套优化法、解耦法、单循环法、可靠性安全系数法. 本文首先介绍了各类可靠性拓扑优化模型;然后系统回顾了以上方法的理论基础以及研究现状与应用;最后对以上方法进行了总结,探讨了它们的优缺点和发展方向.     

剪切载荷作用下植物细胞的力学特性分析

根据植物细胞的结构特点,以二维问题为研究对象,在已建立的植物单细胞力学模型的基础上,利用有限元方法和MATLAB计算软件研究了单细胞受到剪切载荷作用时,外力、应力、应变及内压间的相互关系,给出了关系曲线图。得出了在剪切情况下,外力、应力、应变及内压之间的关系是非线性的;细胞内压改变量随外力或细胞变形或细胞壁应力的增加而增加;细胞壁的应力随剪切力的增大而增大;细胞将在哪个方向破裂等6个结论。     

基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.      

应力约束下预应力平面实体钢结构拓扑优化设计

对预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题进行研究,建立了以索力值、单元尺寸和结构拓扑为设计变量,以应力为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以满应力设计准则法建立索力值与结构重量之间的优化模型,通过该模型的求解确定索力值,并通过满应力设计选取单元尺寸,然后对单元体厚度按闻值进行分类,从而删除低厚度单元实现结构的拓扑优化.算例结果与预应力钢结构理论相吻合,表明本文所提出的方法是有效的,可为预应力钢结构体系创新提供理论方法.     

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.      

盘绕式杆状展开机构的设计与力学分析

盘绕式杆状展开机构具有质量轻、收拢比大,伸缩平稳,展开可靠性高等优点,可广泛用于太阳电池阵、大型天线的展开,作为主要的展开支撑受力构件,展开机构在整个结构系统中起顶梁柱的作用。本文通过对盘绕式展开机构原理样机的研制,从设计角度对盘绕式杆状展开机构的构造特点、设计方案和展开/收拢原理进行了阐述,对其关键几何设计参数进行了分析。根据展开和收拢几何特性关系,对其刚度特性进行了分析,并依据弹性稳定理论,对该展开机构进行了局部和整体稳定性分析。设计参数分析和刚度特性分析对盘绕式展开机构原理样机的研制和关键技术的解决有较大的借鉴意义。     

共同随机载荷下结构动态可靠性分析

目前对结构的可靠性研究仅考虑结构所受的一种载荷,本文从结构所受的4种载荷共同作用于结构的实际情况出发,运用Turkstra方法对应力进行了三种不同的组合,分别求得三种应力组合下结构所受的应力。然后根据应力-强度干涉理论,将结构分为强度不退化和强度退化,分别建立了结构的动态可靠性模型,运用一次二阶矩法,求出三种组合应力下结构的强度不退化和强度退化时结构的动态可靠性指标,把最低的可靠性指标确定为结构的动态可靠性指标。最后,通过实际算例的验证证明:动态可靠性指标在机翼设计初期都是0.9998;如果考虑多次荷载且机翼强度不退化时,机翼可靠性指标在1000h内为1.718;如果考虑多次荷载且机翼的可靠性指标在1000h内为0.968。这种情况与工程实际相符合,表明了文中预测模型具有合理性和有效性。     

扩展重要抽样法及其在平尾转轴可靠性分析中的应用

提出了扩展重要抽样法，用以计算结构系统的多个失效模式中含有不全相同基本随机变量时的系统失效概率。通过构造扩展重要抽样法的抽样密度函数，给出该方法失效概率的估计值，以及其方差和变异系数的计算公式。并将此方法用于某型飞机平尾转轴的可靠性分析，算例结果表明其优越性。     

非完整信息条件下的结构可靠性鲁棒设计

在非完整信息条件下,建立区间变量、模糊变量、随机变量同时存在的可靠性设计模型,并给出相应的序列优化设计方法;同时考虑设计变量的实现值与设计值之间的差别以及约束条件的鲁棒性,提出基于info-gap决策理论的鲁棒优化模型,研究可靠性鲁棒设计的序列求解策略。算例1表明:模糊可靠性设计比随机可靠性设计结果保守,当模糊设计指标α=0时(对应区间可靠度)结果最为保守。算例2表明:不同的鲁棒性指标αt对应不同的鲁棒优化解,当αt大于0.20时,不存在相应的鲁棒优化解。利用本文提出的鲁棒序列优化求解方法对目标函数计算1291次即可,而常规优化算法需8107次,表明本文算法大大提高了计算效率。     

结构可靠性优化的三阶段解耦方法

为提高基于可靠性的结构优化效率,提出一种三阶段解耦分析方法。第一阶段利用可靠性安全因子进行确定性优化,并将确定性优化结果作为初始样本点;第二阶段利用可靠性灵敏度和重量因子对样本点进行调整,获取目标函数与失效概率的数据集合;第三阶段利用目标函数与失效概率的关系,曲线获取可接受失效概率对应的目标函数,并求解最终优化设计变量。本文方法只需一次确定性优化,且现有结构可靠性求解算法均可使用,适应性强。算例分析结果表明,本文方法可以明显减少失效概率评估次数,且计算结果对可靠性安全因子与重量因子不敏感。     

RELIABILITY-BASED DESIGN OF COMPOSITES UNDER THE MIXED UNCERTAINTIES AND THE OPTIMIZATION ALGORITHM

This paper proposed a reliability design model for composite materials under the mixture of random and interval variables. Together with the inverse reliability analysis technique, the sequential single-loop optimization method is applied to the reliability-based design of composites. In the sequential single-loop optimization, the optimization and the reliability analysis are decoupled to improve the computational efficiency. As shown in examples, the minimum weight problems under the constraint of structural reliability are solved for laminated composites. The Particle Swarm Optimization （PSO） algorithm is utilized to search for the optimal solutions. The design results indicate that, under the mixture of random and interval variables, the method that combines the sequential single-loop optimization and the PSO algorithm can deal effectively with the reliability-based design of composites.     

基于Kriging模型的汽轮机基础动力优化设计

随着汽轮机容量的增加和核电站的迅速发展,汽轮机基础动力优化设计已经成为世界前沿的研究课题.本文提出一种基于Kriging模型的有效优化方法,用以求解上述动力优化设计问题.该问题的优化模型是在汽轮机基础框架重量约束条件下,优化汽轮机基础中柱的位置和粱、柱的截面面积,使基础振动的最大幅值最小化.Kriging模型用于建立基础振动的最大动位移幅值与设计变量间的近似函数关系,从而避免了优化迭代中灵敏度分析.开发了动力分析程序,作为黑箱用于动力响应分析.算例结果表明,本文方法在效率和稳定性上优于序列线性规划方法.     

基于响应面法的复合材料连接结构可靠性分析

复合材料的力学性能参数比金属材料呈现出更大的分散性。本文提出采用加权线性响应面法对复合材料单钉连接结构进行可靠性分析。采用三维有限元模型进行复合材料单钉连接的确定性渐进失效分析。单向铺层的力学性能参数和强度参数均考虑为输入随机变量,用于可靠性分析。详细研究了不同失效准则和不同刚度退化方法的影响。结果表明,Olmedo-Santiuste失效准则与Camanho-Matthews刚度退化方法的组合能够给出与试验均值最接近的强度分析结果。另外,还仔细研究了响应面参数f的影响。结果表明,取f=1的线性加权响应面能够为复合材料单钉连接可靠性分析提供较好的统计特性逼近值。     

基于阈值因子的结构可靠性解耦优化方法

基于结构可靠性理论,引入阈值因子的概念,其物理意义为当前最优解满足可靠性约束需将阈值增减的幅度。随着迭代的进行,对于有效约束,阈值因子收敛于1,能够使得最可能失效点快速向满足可靠性约束的极限状态曲面靠拢,优化效率得以提升。解耦模型中,优化变量可为随机变量也可为非随机变量,当优化变量为随机变量时,采取优化变量拆解方式进行计算。数值算例表明,本文方法对优化变量拆解方式不敏感,对有效约束和非有效约束均能够获得满意的优化结果,且计算效率明显高于经典方法。     

基于可靠度和功能的框架—剪力墙结构抗震优化设计

作为结构抗震设计的发展方向,近年来基于功能的结构抗震设计思想引起了地震工程界的广泛重视,并取得了迅速发展,其基本思想就是在充分考虑结构抗震设计中的不确定性的情况下,采用基于“投资－效益”准则和强调结构“个性”的设计,本文讨论了基于可靠度和功能的结构抗震优化设计思想,建立了钢筋混凝土呆－剪力墙结构 抗震优化设计模型,给出了结构可靠度的近似计算方法,最后计算了钢筋混凝土框架－剪力墙的算例。     

基于APDL的钢板剪力墙可靠性研究

应用ANSYS中的APDL参数化语言对非加劲肋钢板剪力墙、十字加劲肋钢板剪力墙、斜加劲肋钢板剪力墙进行了建模及随机有限元可靠性分析。在随机有限元可靠性分析中,使用PDS模块,确定了钢板剪力墙的可靠度,并将结果生成可靠性分析报告。结果表明:相同强度地震力作用下的三种模型,可靠度从小到大依次为非加劲肋钢板剪力墙、十字加劲肋钢板剪力墙、斜加劲肋钢板剪力墙。三种模型中竖向压力对可靠度影响最大。     

Development and assessment of an intrusive polynomial chaos expansion-based continuous adjoint method for shape optimization under uncertainties

This article contributes to the development of methods for shape optimization under uncertainties, associated with the flow conditions, based on intrusive Polynomial Chaos Expansion (iPCE) and continuous adjoint. The iPCE to the Navier–Stokes equations for laminar flows of incompressible fluids is developed to compute statistical moments of the Quantity of Interest which are, then, compared with those obtained through the Monte Carlo method. The optimization is carried out using a continuous adjoint-enabled, gradient-based loop. Two different formulations for the continuous adjoint to the iPCE PDEs are derived, programmed, and verified. Intrusive PCE methods for the computation of the statistical moments require mathematical development, derivation of a new system of governing equations and their numerical solution. The development is presented for a chaos order of two and two uncertain variables and can be used as a guide to those willing to extend this development to a different set of uncertain variables or chaos order. The developed method and software, programmed in OpenFOAM, is applied to two optimization problems pertaining to the flow around isolated airfoils with uncertain farfield conditions.