计算机辅助结构优化设计软件MCADS的开发与应用

工程结构优化设计，是将有限元等数值分析方法和数学规划等最优化方法结合起来、优选改进结构设计方案的一种先进技术，它使得工程师不再局限于凭经验和试凑的方法去设计，而是可以科学地高效率地选择最佳设计方案，因而也是结构分析和ＣＡＤ技术向更高层次的发展。本文介绍的ＭＣＡＤＳ是一个通用性的计算机辅助结构优化设计软件，它吸收了结构优化理论研究的成果并采用了面向工程结构设计的实用化技术，具备较强的功能和适用性，已作为商品化软件转让并在许多工业部门得到成功的应用．     

采用包络-准则法优化考虑瞬态传热的薄板结构

刚度和强度是薄板结构的两个主要性能。在瞬态传热过程中,考虑热-力耦合,随时间和空间变化的非均匀温度场在结构中会引起热变形和热应力,温度场随时间变化的规律和空间分布依赖于板的厚度变化,进而影响板的刚度和强度。因此,考虑瞬态传热的薄板优化问题具有更强的非线性,更加难以求解。本文给出一种包络-准则方法处理这类结构优化问题。首先,针对外力荷载,进行一个结构柔顺性的优化设计;以这一设计为基础,通过瞬态热-力耦合分析及优化准则,计算多个时刻的优化设计变量并取其包络,对上述优化结果进行迭代修正,以消除瞬态温度场作用下较高的局部应力。优化算例表明,该方法对于考虑瞬态传热薄板优化问题有效。     

非线性函数的混沌优化方法比较研究

已有的混沌优化方法几乎都是利用Logistic映射作为混沌序列发生器,而Logistic映射产生的混沌序列的概率密度函数服从两头多、中间少的切比雪夫型分布,不利于搜索的效率和能力。为此,首先根据Logistie映射混沌轨道点密度函数的特点,建立改进的混沌-BFGS混合优化算法。之后,考虑到Kent映射混沌轨道点密度为均匀分布,建立了基于Kent映射的混沌-BFGS混合优化算法。然后对五种混合优化方法——不加改进的和改进的基于Logistic映射的混沌-BFGS法,基于Kent映射的混沌-BFGS法,Monte Carlo试验-BFGS法,网格-BFGS法进行了研究,分别对3个低维和2个高维非线性复杂测试函数进行优化计算,对它们的全局优化计算效率和寻优能力做了比较,并探讨了混合优化方法全局优化性能差异的原因。结果表明,混沌优化方法是与Monte Carlo方法类似的一种随机性试验优化方法。而且,这类优化方法的计算性能至少与以下因素有关：混沌／随机序列的统计性质,优化问题全局最优点位置。     

计算动脉血管发展流动的新差分格式

在引用守恒型N—S方程和SIMPLE方法的基础上,对血管发展流动的控制方程提出了新的差分格式。算例结果表明：本差分格式对血管发展流动的数值研究是可行的。     

滑轮绳索系统中动态节点绳索单元

解除了传统有限元方法中单元节点与物质点固结的假设, 建立了空间点的速度和加速度与相应物质点的速度和加速度之间的数学关系, 强调了虚功率原理中出现的速度和加速度皆为物质速度和物质加速度. 在此基础上构造了单元节点既不与空间坐标固定也不与物质坐标固定的动态节点绳索单元. 根据滑轮绳索系统的特点, 选取绳索出入绳点的弧长坐标、出入绳角、面外摆角以及拉伸应变等空间参数描述了滑轮绳索系统的运动. 将绳索与滑轮以及绳索与卷筒之间的相互作用合理简化为物质速度间的约束条件, 避免了传统方法中接触力计算不收敛、效率低等缺点. 所提方法可精细求解绳索与滑轮间接触边界点位置和卷筒入绳点在卷筒上的运动、滑轮的中心和其连体基的运动、绳索出入滑轮和卷筒时空间方位的变化以及绳索上任意点的拉力变化等细节. 可为含绳索机械系统的力学分析提供新的理论基础. 所用的解除单元节点与物质点绑定的理论具有一定的普适性, 可为有限元方法的理论和应用提供参考.      

可靠性最大的结构优化设计

1.引言 以航空工业为主要应用对象的结构优化,很多研究课题都是寻求材料最优分布,使结构重量最轻。目前,结构优化的应用逐渐扩展到其它领域,在这些工业部门人们常常更关心结构的可靠性,希望在给定材料体积条件下合理分布结构材料,使结构的可靠性尽可能地大。或者研究一个用料省、可靠性大的折衷方案。     

蜂窝夹芯试件破坏行为分析

通过平面拉伸试验和双悬臂梁试验研究了蜂窝夹芯试件的破坏行为. 在平面拉伸试验中, 发现的破坏模式不是预期的面芯界面脱胶破坏而是面板层间分层破坏;在双悬臂梁试验中, 发现了一种与以往文献报导中不同的破坏模式(面板层间分层,预制裂纹偏转和面板分层扩 展依次出现). 针对试验中所发现的新的破坏模式,结合粘结模型,建立了基于 蔡-希尔破坏准则和能量准则的计算模型. 模拟结果与试验结果对比发现,所建立 的计算模型能够很好地模拟所发现的破坏行为.     

基于自适应网格的材料渗透系数设计

采用基于单元(结点)密度为设计变量进行结构和材料的拓扑优化设计时,有限元网格的密度对优化设计有很大影响. 在以渗透系数为目标进行材料微结构设计时,为了较好地描述单胞中的流固边界,需要将单胞划分为很小的网格,进一步增加了有限元计算和优化分析的规模. 为了降低计算规模, 研究了基于自适应网格的逆均匀化方法,以最大化各向同性等效渗透系数为目标,进行材料微结构设计. 优化迭代过程中,对单胞中流固界面处的网格进行自适应加密,降低优化问题的计算规模. 采用这一算法,对不同初始密度分布得到的单胞优化结果虽然不同,但具有相同的材料微结构,一定程度上说明了该方法的有效性.      

固定结构下的两向力及弯矩传感器设计

为了刀板切削过程中的受力满足最合理的设计准则,专用传感器设计须基于固定总体结构,对局部结构优化,以达到设计合理的目的。刀板切削时受到土体的阻力可分解为水平力和垂直力,多维力传感器测量了两个力的大小和对传感器产生的弯矩。刀板工作中,弯矩引起的正应力比垂直力引起的拉应力及水平力引起的切应力要大得多,因此特别设计了弹性体的局部结构使得三个应力值接近于同一量级。传感器的标定结果显示,输入输出有良好的线性关系,并且很好地消除了耦合效果。最终,将该传感器应用于土体切削测试并验证了其可靠性。     

三峡升船机船—水—厢耦合系统的非线性有限元时域计算

根据三峡升船机船厢的受力特点，在船厢的纵剖面上建立了非线性水波方程和船—水—厢的耦合运动方程。对非线性水波方程利用摄动理论进行分解得到一阶方程和二阶方程，然后运用伽辽金法得到耦合的有限元离散方程，结合精细积分法进行时域计算。计算采用平面八节点等参单元，并给出了若干算例。