大型排土机强度、稳定及优化

本文建立了大型排土机结构各种平面、空间及其组合的有限元模型,并利用相应的有限元法整体地或局部地作了刚度、强度和稳定性分析,并对排料臂架作了优化设计....     

超长柔吊装臂架回转作业刚柔耦合动力学模型与分析

针对超长柔臂架系统在回转吊装运动中的非线性动力学行为,开展了模型构建与振动特性分析。考虑大型起重机臂架的刚柔耦合运动特征与吊装大挠度效应,利用混合坐标系描述了吊臂刚柔耦合运动,在臂头随动坐标系上描述吊重与钢丝绳的偏摆运动;通过初应力法构建了结构的几何非线性刚度矩阵;采用拉格朗日方程,推导并给出了综合考虑超长柔臂架刚柔耦合效应、几何非线性效应、惯性力效应的动力学分析模型。通过对某轮式起重机的动力仿真分析,结果表明:超长柔臂架在吊臂几何非线性效应影响下,吊重偏摆幅度增大,周期延长;吊载愈重,几何非线性效应对吊臂振动及吊重摆动的影响愈明显;轻载吊装吊臂振动主要由回转惯性力引起,但重载时吊臂振动规律取决于吊重偏摆振动。分析结果为臂架结构设计及控制系统设计提供了依据。     

混凝土输送泵车臂架系统流固耦合振动分析

针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输送管流固耦合理论的研究成果,提出了基础有平动位移的悬臂输送管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程.采用有限单元理论建立混凝土泵车臂架系统的流固耦合运动微分方程.选取混凝土流速U=2.265m/s和不考虑混凝土流动进行对比仿真分析后发现:两者臂架振动响应均值相同;但稳态时两者振动幅值比值最大,接近2;而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,这说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著.结合Matlab仿真分析与Ansys三维有限元模型,模拟计算出了臂架结构动应力,对比测点应力测试结果与模拟计算结果,两者应力历程变化趋势相似,应力值较接近,最大差异小于20MPa,验证了仿真模型的合理性.     

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。     

基于节点密度的自适应EFG法拓扑优化方法研究

针对无网格法拓扑优化中设计变量庞大、计算效率低的问题,提出了基于节点密度的自适应EFG拓扑优化方法。该方法以节点相对密度为设计变量,建立了以结构柔度最小为优化目标的自适应EFG拓扑优化模型,给出了拓扑优化中自适应节点加密准则、节点加密方法和新增节点设计变量更新规则。算例结果表明,采用本文提出的自适应EFG拓扑优化方法进行结构拓扑优化时,可以减少结构分析和优化的设计变量数目,提高优化效率。     

多层次联合的结构优化设计

多层次联合结构优化问题,通常含有不同种类的设计变量,例如,当构件的截面和结构的形状同时优化时,设计变量就可分为截面类设计变量{X_(?)}和几何类设计变量{X_g}。对这类问题,本文提出一个有效的求解策略,优化过程的每一步迭代都由两个子问题组成:(1)优化截面类设计变量{X_8}以减少重量,使约束趋于临界:(2)优化几何类设计变量{X_g}以放松约束。为下一轮迭代提供条件。本文的方法收敛较快且具有较好的稳定性。     

多层次联合的结构优化设计

多层次联合结构优化问题,通常含有不同种类的设计变量,例如,当构件的截面和结构的形状同时优化时,设计变量就可分为截面类设计变量{X_s)}和几何类设计变量{X_g}。对这类问题,本文提出一个有效的求解策略。优化过程的每一步迭代都由商个子问题组成:(1)优化截面类设计变量{X_8}以减少重量,使约束趋于临界;(2)优化几何类设计变量{X_g}以放松约束,为下一轮迭代提供条件。本文的方法收敛较快且具有较好的稳定性。     

轻型飞机机翼气动/结构协同优化研究

探讨用协同优化方法能否有效地解决机翼气动／结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化两种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动／结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动／结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动／结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

计及气动和隐身约束结构综合优化的并行子空间优化方法

通过分析基于响应面的并行子空间优化算法的特点指出并行子空间优化算法学科级优化的作用在于向系统级优化响应面提供性能优良的设计点.在此基础上,建立了不要求学科级优化的改进的并行子空间优化算法,进一步降低了设计优化的计算量,解决了分析模块与优化模块间的接口困难.依据该算法建立了结构、气动和隐身一体化设计优化框架,实现了某无人机机翼计及气动和隐身约束的结构综合优化.     

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。     

航天器天线桁架结构多目标优化设计

针对有附加结构的卫星天线桁架结构,提出了一种实现结构多目标优化的综合设计方法。首先,探讨了附加结构刚度对桁架结构动力学特性的影响,以便建立精确的有限元模型,为进行优化设计奠定基础。之后,交替采用代理模型方法和人机交互方式进行结构拓扑构型设计。其中代理模型是采用优化拉丁超立方法进行试验设计,结合径向基函数近似方法生成的。最后,应用NSGA-II全局优化方法实现以重量最小化和频率最大化的多目标优化设计,并根据分层图定量可视化地从Pareto前端和Pareto最优解集中筛选最优设计方案。优化结果表明,相对于初始方案可以在基频几乎不变的情况下,重量减小29.66%。该方法有利于提高设计效率,降低全局优化的复杂度,同时能够得到满足设计要求的设计方案,适用于多目标结构优化设计。     

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。     

基于响应面方法的结构碰撞优化

应用响应面方法可将结构响应表达为设计变量的显式形式．为拟合响应面，基于中心复合设计和单纯形设计简化出了中心对称和拟单纯形设计，其既可以保证约束近似精度，同时降低计算量．针对常见优化问题，使用响应面方法将其构造为线性或者非线性约束优化模型，并应用Matlab优化工具箱求解．方管碰撞优化数值算例表明文中提出的试验设计方法及优化模型有较好的求解效率和精度．     

APPLICATIONS AND CHALLENGES OF STRUCTURAL OPTIMIZATION IN HIGH-SPEED AEROCRAFT 1)

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。     

层合板的一种等强度优化设计方法

提出了一种按等强度设计的层合板优化方法。首先引入强度比的概念,推导了应变空间下的Tsai-Wu强度判据,建立了各单层的强度比方程;然后以各层厚度为设计变量,以各层强度比趋近于1为设计目标,分别采用等强度算法、智能算法和传统算法的混合算法两种方法开展优化设计。对一平面载荷作用下的对称层合板的优化结果表明:两种方法的优化结果较为一致,均增大了初始强度较大的层组厚度,减小了初始强度较小的层组厚度,优化结果符合等强度优化的力学原理。与智能算法和传统算法的混合算法相比,等强度算法拥有更高的收敛效率,优化后层合板的重量更小。     

面向连续体拓扑优化的多样性设计求解方法

拓扑优化可以在概念设计阶段为工业产品结构的概念设计提供新颖的设计思路. 传统的连续体结构拓扑优化方法通常只能获得一个优化的拓扑构型,但在实际工程应用中,这个构型在后续设计阶段可能会由于分析模型逐步细化、设计要求的进一步明确而无法满足改变后的设计目标和约束. 针对此问题,提出了多样性设计求解方法(multiple designs approach,MDA),使得能够在优化过程中获得若干个多样性设计,以此减少在可能在设计初期由于信息不完整所带来的风险. 给出MDA 基本的优化列式,将目标函数定义为多个设计构型的目标性能加权之和,并通过加入对多样性度量的约束条件,在优化过程中驱动各个设计产生几何构型上差异. 给出了一种具体的多样性度量方法,并对其物理意义和特征进行描述和讨论. 以基于变密度法的最小柔顺性问题作为优化算例,给出了具体的优化列式及敏度推导. 在算例中,研究了目标函数和约束中不同参数对结果的影响,并对目标函数之外的其他潜在结构性能进行了讨论和比较. 结果表明,通过MDA 能够有效地给出一批多样性设计构型,为后续的精细化设计提供多种设计方案和思路.      

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.     

拉索预应力空间网格结构的优化设计

本文讨论了以结构自重为目标函数,以拉索张力和杆件截面尺寸为设计变量,考虑应力和位移约束的拉索预应力空间结构的优化设计问题,建立了该结构优化设计的数学模型。提出了解决该优化问题的二级优化算法。从本文的两个算例可以看出,二级优化算法有较好的计算效率和收敛性,便于工程应用。     

基于数据驱动的舵面结构优化设计

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.