轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

多相多孔材料/结构的集成优化设计

采用均匀化方法,以宏观结构柔顺度为优化目标,开展了多相多孔材料/结构的集成优化设计。借鉴仿生思想,提出两尺度材料/结构构成模型,归纳出微结构精细设计的选择判据。结合伪密度法和周长控制消除了多相材料分布的棋盘格。采用分层优化方法并结合算例研究了实体材料模量相对比值、材料组分变化对优化结果的影响。计算结果说明所提出的结构构成模型能有效地应用于多相多孔材料/结构的优化设计,为新型多功能材料/结构的设计拓宽了思路。     

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

自适应机翼技术的分类和实现途径

自适应机翼技术研究可分为通过机翼结构较小尺度变形的流动控制设计和较大尺度改变机翼几何构型的自适应结构设计两个范畴。改变机翼构型的自适应结构又包括可变前后缘结构、扭转机翼盒段结构、可变展弦比机翼结构这三种实现方式。根据目前自适应机翼技术的研究现状,归纳出了实现机翼自适应功能的两种途径,其中,采用智能材料结构进行驱动控制的研究代表了自适应机翼技术的发展趋势,而基于传统材料结构的自适应机翼技术则在现阶段更具有工程应用价值。     

A适应机翼技术的分类和实现途径

自适应机翼技术研究可分为通过机翼结构较小尺度变形的流动控制设计和较大尺度改变机翼几何构型的A适应结构设计两个范畴。改变机翼构型的自适应结构义包括可变前后缘结构、扭转机翼盒段结构、可变展弦比机翼结构这三种实现方式。根据日前自适应机翼技术的研究现状，归纳出了实现机翼自适应功能的两种途径，其中，采川智能材料结构进行驱动控制的研究代表了自适应机翼技术的发展趋势，而基于传统材料结构的自适应机翼技术则在现阶段更具有工程应用价值。     

航天器点阵夹层圆柱壳构型多学科优化设计

针对航天器结构承载、密封及轻量化设计等苛刻设计要求,基于四面体结构的微观单胞构型,研究双层点阵夹层圆柱壳结构的单目标及多目标优化设计。优化模型以点阵夹层圆柱壳结构中的上中下板面的厚度、间距以及单胞内杆件的半径作为设计变量,在单目标优化中,以结构的质量为目标函数,获得合理的单胞分布;在多目标优化中,以最小热传导系数、最大化一阶屈曲载荷、屈服强度为目标进行优化,获得多学科优化问题的Pareto前沿。基于双层四面体点阵结构的多目标优化,给出了用于描述最小应力、最小质量、最小传热的最优解集。     

一种新型金属丝网夹层阻尼板的研制

基于金属丝网材料机理设计制作了金属丝网夹层阻尼板,在悬臂和自由悬吊两种支持条件下对夹层板与同厚度单层铝板分别进行了振动衰减实验和稳态振动特性实验,研究了金属丝网夹层阻尼板的阻尼特性和动态特性,并对金属丝网夹层阻尼板的模态频率、模态振型和模态阻尼进行了识别和分析,通过比较夹层板与同厚度单层铝板的阻尼特性,检验了夹层阻尼板的减振效果以及验证了本文设计方法的有效性。     

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

大型飞机增升装置气动机构一体化设计技术进展

增升装置设计作为大型客机设计的关键技术之一,其设计水平的提升将极大提高飞机的整体性能。虽然先进增升装置方案朝着简单形式发展,但其设计目标将结合气动、机构、结构、噪声等复杂考虑因素,以达到最优的综合性能和提高飞行的安全性、经济性和舒适性,是个高难度多学科多约束耦合的设计问题。结合气动优化、机构设计、一体化研究等多方面增升装置设计难点进行论述,并提出相应解决方案,最终完成气动/机构一体化设计。分别回顾了干净构型到巡航构型的外形设计方法;起降构型的气动评估、优化方法;增升装置位置表达方法和机构设计研究现状。最后阐述了气动/机构一体化设计方法的思想,总结了国内外在该方向所进行的研究和取得的成果。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

Layout design of thin-walled structures with lattices and stiffeners using multi-material topology optimization

In this paper, the thin-walled structures with lattices and stiffeners manufactured by additive manufacturing are investigated. A design method based on the multi-material topology optimization is proposed for the simultaneous layout optimization of the lattices and stiffeners in thin-walled structures. First, the representative lattice units of the selected lattices are equivalent to the virtual homogeneous materials whose effective elastic matrixes are achieved by the energy-based homogenization method. Meanwhile, the stiffeners are modelled using the solid material. Subsequently, the multi-material topology optimization formulation is established for both the virtual homogeneous materials and solid material to minimize the structural compliance under mass constraint. Thus, the optimal layout of both the lattices and stiffeners could be simultaneously attained by the optimization procedure. Two applications, the aircraft panel structure and the equipment mounting plate, are dealt with to demonstrate the detailed design procedure and reveal the effect of the proposed method. According to numerical comparisons and experimental results, the thin-walled structures with lattices and stiffeners have significant advantages over the traditional stiffened thin-walled structures and lattice sandwich structures in terms of static, dynamic and anti-instability performance.     

Simultaneous optimization of structure together with attached tuned mass dampers considering dynamic performance

Tuned Mass Dampers(TMDs) are often attached to a main structure to reduce vibration, and the TMDs’ positions are important to affect the structural dynamic performance. However, the TMDs’ positions and the material layout of the structure act on each other. This paper suggests a design optimization method by combining the topology optimization of the main structure and the layout of the attached TMDs under harmonic excitations. The main structure with the attached TMDs are modeled by the continu...     

Design and simulation of an innovative cylinder fabricated by selective laser melting

Additive Manufacturing (AM) processing has attracted wide attention due to its advantages, e.g., rapid prototyping and free design. In aeronautic and astronautic engineering, it is especially attractive to apply AM processing, especially Selective Laser Melting (SLM), into primary structures that always occupy most of the whole mass of aircraft or spacecraft. In this paper, an innovative lattice sandwich structure that is suitable to be manufactured with SLM is adopted to design the typical cylinder under axial compression. Firstly, the mechanical properties of pyramidal lattice are investigated, and the bearing capacity of the lattice sandwich cylinder is given analytically for each failure mode. Secondly, a composite cylinder is re-designed in the form of lattice sandwich structure, which sizes are ultimately obtained through optimization. Finally, finite element model of the innovative cylinder is established and several kinds of imperfection are introduced to simulate the defects caused by SLM. Numerical result shows that the lattice sandwich design can obviously enhance the bearing capacity of cylindrical shell even though the original one is designed with composite material. In other words, SLM has great potential in improving the primary structure of spacecraft in the future.     

涡扇发动机涡轮后框架结构/材料一体化优化设计方法

基于传统结构优化设计方法,综合考虑结构参数和材料性能对涡扇发动机涡轮后框架性能的影响,提出涡轮后框架结构/材料一体化优化设计方法.将原设计问题分解为结构级优化和材料级优化,分别应用可行方向法和并行遗传算法进行求解.应用C语言开发了分布式并行优化设计平台.应用该平台对某型涡扇发动机涡轮后框架进行结构/材料一体化优化设计,得到最佳材料组合和结构参数.优化结果表明:与单一材料的结构优化方法相比,提出的结构/材料一体化优化方法进一步减少了结构的质量,算例中最优选材比最差选材质量减少29.0%.      

复合材料薄板斜接式挖补修理稳定性优化设计

对复合材料层合板挖补修理模型进行了稳定性优化分析。采用ARSM优化算法研究了挖补修理结构失稳载荷与挖补角、胶层厚度以及补片材料与母板材料匹配对挖补修理后复合材料薄板失稳载荷大小的影响,得到了各母板材料对应的稳定性最优挖补修理模型。结果表明,补片材料各方向上的模量匹配非常重要,硼纤维层合板的6个方向上模量搭配最优,硼纤维层合板补片为各个修理方案中的最佳补片材料。当胶层厚度和挖补角参数增大时,失稳载荷逐渐增大,在挖补角与胶层厚度最佳匹配范围内,失稳载荷很快达到最大。在挖补角与胶层厚度脱离最佳匹配范围内后,失稳载荷迅速减小,进一步说明ARSM优化算法可以高效地完成挖补修理结构的稳定性优化分析。     

基于可行域调整的多相材料结构拓扑优化设计

针对多相材料结构柔顺度拓扑优化问题及其存在多个局部优化解的情况,提出一种新的多相材料结构柔顺度拓扑优化问题的求解方法, 并研究其获得多个局部优化解及寻找较好的优化解的能力。基于材料属性有理近似 （RAMP）模型,引入可行域调整技术,构建多相材料结构拓扑优化模型及近似优化模型。提出一种改进的交替主动相算法,该算法将多相材料结构拓扑近似优化模型分解为多个含2个主动相材料体积约束的系列二元相拓扑优化子模型,并利用光滑化对偶算法进行优化求解。与现有方法相比,采用多个不同的优化初始拓扑,提出的方法可找到更优的多相材料结构拓扑, 且为多相材料结构拓扑优化的多样性设计提供了一种有价值的思路与方法。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

粘弹性阻尼结构的动特性分析

本文研究了粘弹性阻尼结构动力特性的分析方法。根据分数导数模型表示的粘弹性材料本构方程,对一种阻尼材料用拟合法构造了它的力学性能解析表达式。建立了一种八自由度夹层梁有限元模型,从而给出了粘弹性阻尼结构的有限元动力学方程。为分析粘弹性阻尼结构的动力特性,提出了一种非线性特征值问题的迭代解法。应用上述方法对悬臂约束阻尼层梁的复模态参数进行了分析,并进行了实验验证。结果表明,分析与实验的结果一致,说明本文所提出的方法是可靠的且有较好的精度和实用性。