简谐力激励下多组件结构系统的整体优化设计

多组件结构系统整体优化设计通过协同优化支撑结构拓扑构型和组件布局来使结构系统的位移响应最小。本文提出通过模态加速度法（MAM）求解多组件结构系统的位移响应,并以位移响应值最小作为优化目标;引入多点约束（MPC）方法模拟组件与设计域间的铆钉或螺栓连接形式;采用有限包络圆法（FCM）来避免组件之间及组件与设计域边界产生干涉。建立了多组件结构系统整体优化问题的数学模型,并对动响应目标函数关于设计变量的灵敏度进行了推导。最后,通过几个算例验证了整体优化方法在简谐力激励下求解问题的可行性及其在实际问题中的有效性。     

部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化

基于多组件结构系统整体式拓扑布局优化设计方法,研究了同时含有部件布局、组件布局、主结构框架构型和部件结构构型4类设计变量的复杂系统协同优化设计问题,是整体式拓扑布局优化设计面向复杂飞行器结构系统设计的拓展。采用多点约束(MPC)模拟组件、部件及支撑结构之间的刚性连接,采用有限包络圆方法(FCM)解决组件之间、组件与设计域边界之间的几何干涉问题。通过整体式拓扑布局的刚度优化设计,部件和组件均可以获得优化的布局位置,同时主结构框架构型和部件结构构型获得优化的结构样式,充分体现了整体式拓扑布局优化设计方法应用于复杂结构系统设计的能力。     

发动机外部管路系统的卡箍布局多目标优化

针对航空发动机外部管路系统卡箍布局不合理而导致发动机发生共振或振动过大问题,对发动机复杂管路的卡箍布局 进行优化设计。将卡箍简化为末端固定的线性约束弹簧单元,建立管路系统的整体有限元模型;进行卡箍在复杂3 维管路上的位置 参数化处理;通过相对灵敏度分析获得对固有频率以及随机振动响应影响较大的5 个关键卡箍位置参数;确定2 个优化目标分别 为前4阶固有频率远离发动机工作频率和随机振动应力均方根响应最小化;采用多目标遗传算法对5 个关键卡箍参数进行优化。 结果表明：通过优化设计同时实现了多阶频率调节和随机振动应力均方值的减小;对不同优化方案的效果进行对比发现,不同的优 化方法各有优劣,无法使2 个优化目标同时达到最优结果。     

考虑组件保形约束的多组件结构系统布局优化

提出了一种考虑组件保形要求的组件布局-结构拓扑的多组件结构系统布局优化设计方法。在传统的多组件结构系统布局优化设计基础上，定义了组件设备的弹性应变能函数并用其定量衡量组件设备的弹性变形程度，在多组件结构系统布局优化过程中，采用组件设备的弹性应变能函数作为其保形设计约束，以实现抑制承载组件变形的设计目的。解析了组件设备保形设计约束对结构拓扑及组件布局设计变量的灵敏度，研究了组件保形设计约束与结构系统整体刚度之间的消长关系，分析了组件保形约束对组件布局及支撑结构材料拓扑分布的影响，在考虑组件保形设计约束的挂架系统布局优化模型中引入了系统的质心位置约束并完成了其解析灵敏度求解。通过数值算例，实现了考虑组件保形、材料用量分数、质心位置约束的多组件结构系统布局优化设计。数值算例的计算结果表明，引入组件保形约束的多组件结构系统布局优化设计方法能够有效抑制传力路径上参与承载的组件设备的弹性变形，实现组件设备的保形设计。     

多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法

包含大量组件的多组件结构系统布局拓扑优化设计中存在大量的组件干涉约束,研究了包含大量组件的结构系统整体式拓扑布局优化设计问题,基于有限包络圆方法（FCM）提出了处理组件干涉约束的惩罚函数方法,构造了包含结构刚度和组件之间几何干涉函数的内外混合惩罚函数,应用基于梯度的优化算法对包含数十个组件上百个干涉约束的多组件结构系统进行刚度优化设计,得到了清晰的支撑结构构型和无干涉的组件布局位置,充分体现了提出的混合惩罚函数方法在解决多组件结构系统布局拓扑优化设计中组件干涉问题上的有效性和适用性。     

基于蚁群算法的机头结构二级布局优化方法

针对民机机头结构布局设计的拓扑变量与尺寸优化变量共存的混合变量设计问题,改进一般的蚁群算法,提出多城市层的蚁群算法转移概率准则,建立基于蚁群算法拓扑优化及准则法尺寸优化设计的二级结构布局优化法,第一级针对离散设计变量,采用蚁群算法确定结构的拓扑布局;第二级针对连续设计变量,基于准则法完成结构在前一级布局下的尺寸优化设计。优化设计结果表明：在满足强度和刚度约束下,相较于初始结构,杆件结构总重量减轻32%,且较常规尺寸优化效果更好。     

三维组件布局建模与优化设计

 从工程应用背景出发,在研究现有组件布局问题的基础上,将Sphere-trees概念引入三维装填布局优化设计问题。采用有限球族进行非规则任意形状三维组件外形轮廓的统一描述,而非直接采用组件的实际外形轮廓进行装填布局设计,建立了任意形状组件装填优化设计干涉检查的系统性计算方法。通过几个典型算例,验证了该方法与序列二次规划法相结合解决有限空间内组件布局优化问题的适用性。     

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法。从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法。分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度。综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不规则管路的布局参数实施了优化设计。结果表明:管形布局优化设计效果显著,错开了两个危险固有频率禁带;管路结构在相同激励下最大位移幅值下降约35%,最大应力幅值下降近50%,为发动机管路的振动控制和动力学正向设计提供了参考。      

星敏感器主反射镜组件的设计与分析

对星敏感器主反射镜组件利用有限元分析软件MSC.Patran建立了有限元模型,用MSC.Nastran对其进行模态分析及正弦振动分析,并进行了随机振动响应分析。通过对该结构在正弦激励下的加速度、速度、位移响应,以及随机振动结果的分析,验证该主反射镜组件设计是否合理,并最后给出了组件结构的改进建议。     

机翼部段静力试验优化设计方法

飞机结构部段结构静力试验是验证结构承载能力、有限元模型等设计指标的重要手段。部段试验相比全机试验规模较小，但需要解决边界分离面刚度匹配、支持模拟、加载模拟等技术难题，保证结构考核精度不受影响。某型飞机机翼为联翼式桁架布局，取中间一段机翼进行静力试验，需要解决多分离面优化设计，气动惯性载荷优化设计及施加等问题。采用分级解耦的设计思想，将试验设计的各个影响因素逐级剥离并建立相应的分析对比模型，依据结构响应误差进行优化设计，评估每一级简化模拟带来的误差。以结构有限元数值仿真为基础，提出了多铰支接头位移+主动载荷混合边界模拟，分离面加载假件刚度解耦设计与优化，桁架式机翼载荷优化设计及载荷施加等试验技术，使部段试验设计精度达到较高水平。     

Structural topology optimization under stationary random base acceleration excitations

Structural topology optimization subjected to stationary random base acceleration excitations is investigated in this paper. In the random response analysis, the Large Mass Method(LMM) which attributes artificial large mass values at each driven nodal Degree Of Freedom(DOF) to transforming the base acceleration excitations into force excitations is proposed. The Complete Quadratic Combination(CQC) which is commonly used to calculate the random responses in previous optimization has been proven to be computationally expensive especially for large-scale problems. In order to conquer this difficulty, the Pseudo Excitation Method(PEM) and the combined method of PEM and Mode Acceleration Method(MAM) are adopted into the dynamic topology optimization, and random responses are calculated using these two methods to ascertain a high efficiency over the CQC. A density-based topology optimization method minimizing dynamic responses is then formulated based on the integration of LMM and PEM or the combined method of PEM and MAM. Numerical examples are presented to verify the accuracy of the proposed schemes in dynamic response analysis and the quality of the optimized design in improving dynamic performance.     

威布尔型通用件配置方案评估及优化

针对威布尔型通用备件配置方案评估及优化问题,采用部件寿命等效原理,将威布尔型部件消耗过程等效为伽玛冲击过程,建立了威布尔型通用备件的满足率评估模型。结合备件满足率指标约束,给出了威布尔型通用备件的优化配置方法。开展了仿真算法设计,结合算例进行仿真对比分析,结果表明：本文建立的威布尔型通用备件的满足率评估模型具有较高的评估精度,能够对不同寿命分布的威布尔通用备件配置方案进行评估,备件配置优化方法能够在备件满足率指标约束下准确给出威布尔通用件配置方案。提出的模型和优化方法能够为装备保障部门开展威布尔型通用备件配置方案评估与优化提供理论支撑和决策支持。     

基于主动失谐优化的叶轮瞬态加减速振动抑制

提出了一种基于主动失谐优化的叶轮瞬态加减速振动抑制方法.首先建立了瞬态加减速激励下的叶轮降阶模型,获得了表征失谐对瞬态振幅影响的失谐放大因子.然后基于降阶模型,采用蒙特卡洛仿真快速计算了一系列瞬态激励下失谐放大因子的概率密度分布,结果表明:失谐放大因子在大多数瞬态激励下受到随机小失谐的影响大于在稳态激励下受到的影响,且...     

基于Kriging模型和遗传算法的齿轮修形减振优化

针对齿轮修形优化时计算啮合刚度计算量大、计算精度低、操作繁琐等问题，提出一种基于Kriging模型和遗传算法的齿轮减振修形优化算法.以典型直齿轮传动为例开展齿轮修形优化，通过拉丁抽样建立Kriging模型，解决齿轮修形优化的多响应和隐式函数的问题，通过Kriging预测的啮合刚度与有限元法的对比可知，时变啮合刚度函数各参数的误差最大值为7.79×10-5,1.20×10-3及1.30×10-4，验证了Kriging多响应预测啮合刚度函数的精确性.将Kriging预测函数代入直齿轮啮合传动的动力学微分方程，采用遗传优化算法时将齿轮动态传动误差响应波动最小作为优化目标，得到最优的齿轮修形参数.算例表明:相比于ISO(International Standardization Organization)修形和未修形的齿轮，该算法的减振效果最好，验证了基于遗传算法与Kriging模型对齿轮进行修形优化的正确性、高效性.相比于直接采用有限元法进行齿轮修形优化，该算法计算时间由26.91d减小为2.24h，证明了该算法计算效率的优越性.      

扩展酉矩阵束算法实现稀疏可重构天线阵的优化设计

针对方向图可重构天线阵列的稀疏布阵问题,提出一种基于扩展酉矩阵束算法的优化设计算法。首先建立以阵元位置和多组激励为变量的多方向图联合稀疏优化模型,并利用期望方向图采样数据构建Hankel块矩阵。然后通过centro-Hermitian化处理和酉变换将采样矩阵从复数域转换到实数域,舍弃实矩阵中较小的奇异值对可重构线阵进行稀疏。最后通过对等价矩阵束的广义特征值分解估计稀布阵元位置,进而得到每个方向图对应的激励。仿真验证了该方法能够以阵元非均匀稀疏分布的阵列形式有效实现多个方向图的精确重构。     

Aeroelastic analysis and structural parametric design of composite rotor blade

Based on FEM theory, a method of dynamic analysis for hingeless rotors considering anisotropic composite materials is established. A parametric modeling method of composite blade with typical profile and high simulation degree for design is proposed. Through the finite element method, the profile characteristics of rotor blade can be obtained efficiently and accurately, and the synchronization of parametric design and finite element analysis of structural characteristics can be realized. Then a 23-degrees of freedom non-linear beam element is used to simulate the extended one-dimensional beam, thereby a non-linear differential equation describing the elastic motion of the rotor is established. To obtain the cross-sectional target characteristics of the blades, an inverse design method is proposed for cross-section components based on combinatorial optimization algorithm. The calculation and validation work show that the proposed model can effectively analyze the aeroelastic characteristics of general composite rotors. Further, the influence of cross-sectional parameters on the aeroelastic stability and hub loads of hingeless rotor is analyzed and some remarkable conclusions are obtained.     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。