基于HHGA-RBF神经网络的复合材料结构脱层损伤监测研究

针对应用于结构健康监测中的径向基函数神经网络(RBFNN)算法和训练中存在的一些问题,提出一种将递阶遗传算法和最小二乘法相结合,用于优化径向基神经网络的结构和参数的新算法,遗传过程中采用自适应的交叉和变异概率有效地加快了遗传收敛速度和避免早熟现象的出现。搭建了复合材料结构健康监测实验系统,并将实验模态分析结果归一化后送入训练好的ＲＢＦ神经网络进行预测,实现了对复合材料梁的脱层损伤定位和损伤程度的辨识仿真。结果表明基于混合递阶遗传算法的径向基神经网络(HHGAkRBF)收敛速度快,鲁棒性好,精度高。     

基于神经网络的火箭发动机结构动力学优化

针对大推力液体火箭发动机研制中面临的低频结构动力学频率优化问题,采用有限元方法及试验模态方法建立了可信的发动机低频动力学模型,对结构的低频动力学特性进行灵敏度分析,提取对发动机低阶固有频率比较敏感的设计变量.以这些设计变量作为神经网络的输出,待优化的结构固有频率作为输入,通过改进的神经网络建立了映射关系,最后优化得到能使固有频率达到目标值的设计变量值.通过有限元验证,优化结果满足要求.     

过程集成与设计优化技术在碳纤维增强树脂材料设计中的应用

研究过程集成与设计优化(PIDO)技术在复合材料设计中的应用。以航空器领域上广泛应用的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)为例,开展结构刚度优化设计。根据复合材料中层压板分布特性,以结构固有频率最大为优化目标,通过选择层压板各单层厚度和铺设角度,使用有限元方法模拟铺设角度变化并输出结果,采用优化算法对结果进行判定,得到结构刚度的优化结果。对比两种不同的PIDO优化过程,提出一种结果更优的优化策略——该策略在提高结构刚度的同时,兼顾轻量化,可为优化设计提供更多思路。     

(T700/环氧)/EPDM粘接界面参数的实验测试及反演分析

为确定T700/环氧复合材料与三元乙丙橡胶(EPDM)的粘接界面参数(包括断裂韧性和法向初始强度),通过双悬臂夹层梁(DCSB) I型分层扩展实验与有限元(FEM)仿真分析,确定了(T700/环氧)/EPDM粘接界面参数的初始值;以(T700/环氧)/EPDM粘接界面参数初始值为基准,经过完全交叉分组的析因设计,以及对应的有限元分析(FEA)结果,构造了FEA输出-界面参数的数据样本,采用广义回归神经网络(GRNN)反演获得的(T700/环氧)/EPDM粘接界面断裂韧性G_(Ic)=0.575 N/mm,法向初始强度σ_(max,0)=1.25 MPa。结果表明,采用GRNN反演参数计算的载荷-位移曲线和实验曲线之间峰值点的平均差值只有2.72 N,结合DCSB I型分层扩展实验、有限元仿真分析和广义回归神经网络,可确定(T700/环氧)/EPDM粘接界面参数的准确值。     

扩散声场作用下C/SiC复合材料薄壁结构的全频段响应分析

为了获取复合材料薄壁结构在扩散声场作用下的全频段应力响应,在70 m~3混响室内进行自由状态下的C/SiC复合材料薄壁结构的噪声试验(总声压级140 dB),测试混响室内扩散声场以及结构的加速度响应。另,建立扩散声场与正交各向异性复合材料薄壁结构相互作用的有限元–统计能量(FESEA)混合模型,计算得到结构的加速度响应分布,计算结果与试验测试结果一致。同时,基于模态应力恢复方法获得结构的应力场分布,结果显示扩散声场作用下的复合材料薄壁结构的应力场分布与加速度场分布规律不同。通过分析复合材料薄壁结构的弯曲波长与声波波长之间的关系,揭示噪声载荷与结构的波长耦合效应。该FE-SEA混合模型计算的应力场可进一步应用于声疲劳分析。     

风洞模型支撑机构有限元模型修正与确认

风洞模型支撑机构有限元建模对预测风洞试验中的结构动力学响应至关重要。然而采用模态试验修正有限元模型需要多轮迭代优化,随着修正参数的增多,数值优化耗时将呈指数化增长。为解决上述问题,联合ABAQUS、MATLAB搭建iSIGHT结构有限元模型修正平台,基于此平台开展某模型支撑机构有限元动力学模型修正,根据试验设计变量对响应的贡献量,筛选灵敏度较高的修正变量;构建前4阶频率差和振型相关性为多目标函数,使用近似建模得到修正变量和目标函数的响应面模型,采用多目标优化方法NSGA-II开展模型修正;修正后的模型前4阶频率差均在10%以内,振型相关性均大于0.8。对修正模型开展动力学响应确认,使用结构模态动力学响应与锤击试验响应作对比,结果显示,修正模型满足工程需求,可用作下一步复杂载荷作用下的结构动力学响应预测。     

大型复合材料结构优化设计方法研究

建立了适合于大型复合材料结构的优化设计方法，该方法在复合材料结构有限元分析的基础上对复合材料结构进行优化设计。在建立有限元模型时应用了区域划分技术，然后对结构分两级进行优化：第一级是对结构的铺层角度进行优化。第二级对结构的铺层厚度进行优化。最后，以工字梁结构为例，进行了算法验证。     

共固化粘弹性复合材料的结构多目标进化优化设计

共固化粘弹性复合材料结构兼具结构承载和阻尼减振能力,设计时需同时考虑强度、刚度、质量和阻尼性能等指标要求,且设计变量众多,因此传统的设计方法难以实现结构的优化设计。本文建立了共固化粘弹性复合材料结构的多目标优化模型,优化目标为结构质量最小化和模态损耗因子最大化,设计变量包括铺层厚度、方向角和阻尼层厚度,并考虑结构动刚度的约束条件。阻尼结构的分析采用基于有限元法的模态应变能法,进化优化采用改进的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II)。最后的优化算例表明将多目标遗传算法应用于共固化粘弹性复合材料结构阻尼/结构一体化设计的可行性。     

复合材料带缠绕成型过程建模及工艺参数优化

复合材料带缠绕成型过程中,成型工艺参数的选取决定了缠绕制品的性能。采用正交实验法研究各工艺参数对缠绕制品层间剪切强度的影响规律和敏感度,并将正交试验数据与神经网络理论相结合,对带缠绕成型过程进行建模,得到缠绕成型工艺参数与层间剪切强度之间的非线性映射关系,并通过实验验证了模型的可靠性。在此基础上,利用粒子群优化方法在可行工艺参数域内对缠绕成型工艺参数进行优化。仿真与实验结果表明,基于神经网络模型的工艺参数粒子群优化算法能够快速、准确的得到带缠绕成型的全局最优工艺参数组合。使得缠绕制品层间剪切强度达到最优的工艺参数组合为:加热温度115℃,缠绕张力357 N,压辊压力1006 N和缠绕速度0.28 m/s,在最优工艺参数作用下,缠绕制品的层间剪切强度达到102.2 MPa。     

基于BQGA的重型液氧/煤油发动机柔性波纹管波形优化研究

适用于高温、高压、富氧燃气的柔性摇摆组件是我国重型液氧/煤油发动机"泵后摇摆"总体布局的核心组件,也是首先需要攻克的关键技术之一。为了从多波形参数匹配的细观角度揭示波形参数之间的敏感度关系,以及波形参数对结构特性的影响机理,将波形优化问题提炼为多变量、多目标的最优化问题,基于参数化非线性有限元仿真程序和量子位Bloch球面坐标的量子遗传算法(BQGA)进行协同优化。同时,在优化流程中,采用多项式响应面模型代替直接有限元求解,提高了优化效率。研究结果给出了最优波形方案,相对于基准波形,优化波形的承压能力提高了8.6%,而变形补偿刚度减少了41.32%。     

基于遗传算法和神经网络的梁板结构可靠性优化

基于结构系统静强度可靠性分析、神经网络和遗传算法,对空间梁板结构系统进行了可靠性分析和基于可靠性的优化设计。结构可靠性分析中,给出了安全余量以及安全余量对各变量敏度的显性表达式,便于各安全余量间相关性计算和可靠性计算精度提高。结构优化中,用神经网络和遗传算法,每代遗传操作中只需用传统方法计算1次结构系统可靠性指标,将该代最优解对应的数据加入神经网络的训练样本,从训练样本中删除最次样本,使训练样本不断处于更新状态。数值算例表明：该法收敛平稳、用时较少,具较好的收敛性和较高的计算效率。     

异步并行的分布式协同进化MDO算法研究

为满足分布式计算机网络环境下多学科并行设计优化协调的要求，研究了分布工协同进化MDO算法的网络异步并行实现，给出了异步并行的分布式同进化MDO算法。对导弹设计的计算实例，与单机上顺序执行的分布式协同进行MDO算法相比，异步并行的分布式协同进化MDO算法可有效缩短运行时间，而二者的收敛性能相当。算法基于CORBA/C 实现，灵活性、容错性好，便于在飞行器一体化设计环境中应用。     

星箭分离减冲击环结构优化设计

针对星箭分离过程，建立了减冲击环结构模型，并分析了该结构的减冲原理。利用冲击响应谱的时域合成算法计算获得符合冲击谱规范的时域载荷，并以此作为结构优化设计中动力学模型的输入载荷工况。以减冲击环的连续层数、单层支撑块数、连续层厚度、支撑块层高度以及环的外半径和内半径6个结构参数为设计变量，以减冲效果和结构强度、刚度为约束，以质量最轻为目标，建立减冲击环的结构优化设计模型，这是一包含离散变量和连续变量的混合优化问题。为了在跨平台下求解该混合优化问题，采用代理模型策略和自适应模拟退火算法求解，并在最优点处开展结构性能对设计变量的敏度计算，对计算结果进行了分析评估。本研究对强冲击动力学环境下的航天器结构分析与设计有一定的指导意义。     

某多挠性体卫星姿态的模糊神经网络控制设计

为改善多挠性体卫星的姿态控制系统,研究了一种基于模糊神经网络的控制器设计.根据某卫星的姿态和挠性动力学模型,给出了模糊神经网络控制器(FNNC)结构及其简化的带动量学习算法.仿真结果表明:FNNC能较好地适应卫星本体参数变化,对外界干扰的抑制能力良好,可满足高精度、高稳定度卫星的姿控要求.     

基于混合遗传算法的火箭姿态控制设计方法

针对火箭控制系统姿态网络设计,提出了一种采用遗传算法和模拟退火算法混合的算法进行姿态网络自动设计的方法。该算法实现了已知校正网络幅频特性曲线的幅频向量,通过系统辨识和寻优搜索,可以计算出该网络的传递函数。本文对该算法进行了试验验证,证明该方法可行并优于单纯的模拟退火算法和遗传算法。     

NNIC—neural network image compressor for satellite positioning system

We have developed an algorithm, based on novel techniques of data compression and neural networks for the optimal positioning of a satellite. The algorithm is described in detail, and examples of its application are given. The heart of this algorithm is the program NNIC—neural network image compressor. This program was developed for compression color and grayscale images with artificial neural networks (ANNs). NNIC applies three different methods for compression. Two of them are based on neural networks architectures—multilayer perceptron and kohonen network. The third is based on a widely used method of discrete cosine transform, the basis for the JPEG standard. The program also serves as a tool for determining numerical and visual quality parameters of compression and comparison between different methods. A number of advantages and disadvantages of the compression using ANNs were discovered in the course of the present research, some of them presented in this report. The thrust of the report is the discussion of ANNs implementation problems for modern platforms, such as a satellite positioning system that include intensive image flowing and processing.     

复合材料结构损伤的小波神经网络辨识研究

将小波神经网络应用于结构健康监测，研究实现复合材料结构常见损伤的高精度辨识。剖析了小波神经网络的收敛算法，并使用了惯性系数以抑制振荡并提出了一种自适应调整学习率的算法以加快收敛。组建结构健康监测实验系统，进行数据处理和特征提取以获得不同的结构损伤模式。提出了小波神经网络初始权值的设置方法，据此删除了小波神经网络的冗余节点。将该小波神经网络应用在实验获得的各种结构损伤模式的辨识上，验证了它的高精度和快速收敛，并成功实现了复合材料结构损伤状态的辨识仿真。     

小推力最优轨迹协态估计的高效机器学习方法

针对变比冲小推力轨迹间接优化中的协态变量初值猜测问题,提出了一种基于机器学习的协态变量初值高精度高效估计方法。首先,基于标称最优轨迹延拓,建立了状态量边值高扰动上限情形下的数据集生成方法,并分析了扰动上限对求解效率的影响。然后,构建了基于位置速度、轨道根数和改进春分点轨道根数多形式状态量组合输入的人工神经网络(ANN)映射关系,分析并优化了神经网络结构。将提出的方法应用于深空探测小推力转移场景,仿真结果表明该方法相对于标称轨迹直接扰动的数据集生成方法及单一形式状态量输入的人工神经网络映射方法,均有效地提升了求解收敛率,能够高效高精度地估计协态变量初值,实现轨迹快速优化。     

卫星结构的拓扑优化与灵敏度分析

在已知某卫星主承力结构的空间大小、约束及载荷条件的情况下，通过对一连续体进行拓扑优化得出主承力结构的最优结构形式。并在此基础上对卫星上十五个结构参数进行了灵敏度分析和尺寸优化，计算结果证明由连续体通过拓扑优化得到桁架结构的最优拓扑是可行的，若再结合灵敏度分析及尺寸优化，可以大幅度减轻卫星结构重量，改善卫星结构的动力特性。     

弹道导弹中段机动突防发动机总体优化设计

针对弹道导弹中段机动突防,提出了一种突防方案的发动机总体参数优化设计。从中段机动突防运动学、动力学出发,基于战术需求明确突防发动机优化设计指标,采用进化算法进行了发动机总体参数优化,并给出了仿真算例。研究表明,速度增量大小和机动时刻给定时,零控脱靶量随速度增量方向的不同存在极小值和极大值,极大值方向近似垂直于视线方向,且最大值近似为待飞时间和速度增量大小的乘积,发动机设计总冲指标即在此理论推导上获取;进化算法有效地解决了8个设计变量、3个约束条件的突防发动机参数优化问题,优化结果合理,且实现了战术要求的脱靶量,很好地满足了弹道导弹中段机动突防对动力系统的要求。