某型导弹铸造弹翼的优化设计

对某型导弹铸造弹翼在多单元、多种约束、单工况的条件下最小重量设计的优化进行了探讨。以板厚为设计变量,综合考虑应力、位移和最小尺寸等约束条件,采用有限元素法作为结构分析的手段,所取计算模型由三角形平面应力元和四节点梁元组成,并只对弹翼壁板进行优化设计(即取板元厚度作为设计变量),加筋梁元不优化。     

具有颤振约束的结构优化计算

为了提高新产品设计水平,我们编制了具有颤振约束的结构优化计算程序。主要内容包括:柔度系数插值、自振计算、非定常气动力计算、颤振方程求解和优化准则。在计算方法上,本程序作了如下改进:自振计算采用L_R型方法;对非定常气动力计算中与型态有关的部分采用预先存储的办法;颤振计算采用零阻尼插值等。从而大大地提高了本程序的计算速度。在709计算机上,利用本程序计算一个颤振点,仅需4分钟。我们用本程序对某产品进行了试算,结果表明,本程序是可靠的。     

基于灵敏度分析的飞行器稳健设计优化方法

提出了一种基于灵敏度分析的稳健设计优化方法。针对设计变量存在扰动的不确定性问题,在原有优化数学模型上,增加了准则函数和约束函数的灵敏度附加项。采用全局灵敏度方程来计算准则函数及约束函数对设计变量的灵敏度,进而得出新的优化问题数学模型,得到问题的稳健性解。将上述方法应用到轻型飞机的总体设计中,对飞机重量、气动和性能模块进行多目标优化,得出最优解,并与已有的飞机进行对比和分析。     

强度自动化平台在结构优化设计中的应用

鉴于MDO相关技术在工业中的成功应用,利用其相关技术搭建了强度自动化平台,将其应用到直升机结构优化设计中,并以直升机舷梯门为例,开展结构减重优化设计。根据直升机舷梯门实际结构形式,通过编辑bdf文件实现CAE模型参数化,明确了优化过程中的设计变量、约束与目标。编写Fortran子程序对结果文件进行后处理,自动实现约束判断。采用修正可行方向法(MMFD),对每次的计算结果进行优化判定,最终得到减重优化结果。最后,利用部件级的舷梯门减重优化的成功实现,提出了搭建直升机全机减重优化平台的设想。     

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。     

轮盘剖面形状的优化设计

本文提出一种实用的轮盘优化模型,它可用中心孔半径、轮毂轴向厚度和外半径、轮颈半径以及轮毂、轮缘与轮辐转接处的转接角等几何参数来描述,整个轮盘可近似为由一系列不等轴向厚度的圆环组成。一个能自动生成计算截面的子程序,响应上述诸参数的变化,灵活地生成任意个径向厚度各异的不等轴向厚度的小圆环,以这些小圆环的轴向厚度和上述诸几何参数为设计变量,以轮盘设计的五个应力准则为约束条件,以轮盘重量为目标函数,采用随机射线法+随机投点法的组合优化方法,加速收敛,达到轮盘重量最轻,剖面形状最优。     

具有应力和位移约束的薄壁结构优化设计

本文提出以准则法解决具有应力和位移约束的薄壁结构优化设计的实际应用问题。具体介绍了实际结构在优化程序实施过程中所采取的方法,并附有模型及实际结构优化计算的结果。     

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式，研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系，为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算，获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术，筛选了优化设计变量，以涡轮盘总质量最小为优化目标，以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计，两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%，涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

基于渐进结构优化法的结构动力学设计方法的初步研究

利用渐进结构优化法并结合结构效率的概念,提出了一种新型的结构动力学设计思路和一套基于ANSYS平台的优化程序开发技术.其中单目标、多约束优化模型的建立,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学设计参数,研究初期阶段只依次对各约束进行了单独处理.相关算例的计算结果表明,在相同条件下,忽略数值不稳定性带来的影响,优化程序得到的最终拓扑、结构进化历程以及参数变化都和已有成果基本一致,由此也验证了设计方法的可行性与程序的可靠性.      

基于响应面法的跨声速机翼气动优化设计

响应面法由于其高效、实用的特点,近年来在优化设计领域受到越来越多的重视。本文将响应面法引入到气动数值优化设计中,完成了跨声速机翼单、多目标多约束气动优化设计。该方法采用D优化准则在设计空间内选择一系列样本点,通过求解三维Euler方程进行气动数值试验,来建立二次多项式响应面模型,并在此基础上得到优化的气动外形。以M6机翼为原始机翼的单、多目标多约束优化设计算例表明:采用的响应面法能够较好的捕捉在跨声速流动中目标函数的非线性特征和消除流动中的高频噪声;响应面模型精度满足设计要求,计算误差均小于3%,因而保证了设计方法的实用有效。对于单目标机翼阻力优化设计,阻力系数减少了19%左右。     

应力和位移约束下连续体结构的拓扑优化

结构拓扑优化设计是结构初始方案设计的重要方法。同时考虑应力和位移约束,采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,对连续体结构进行拓扑优化。为了消除结构中的铰接和棋盘格现象,在拓扑优化分析中引入了结构约束的概念,并在罚函数方法中引入导向因子,改善优化分析结果。该方法可以为工程结构的初始设计提供多种方案,同时为新结构的设计提供了理论基础。算例分析表明所提出的方法是合理、有效的。     

典型复合材料机翼铺层设计分析

利用DASCM程序完成带整体油箱复合材料机翼铺层设计的优选方法、原理和算例。采用了灵敏度分析和导数均匀化两种方法进行复合材料铺层优选设计。优选设计后的复合材料机翼重量仅比金属机翼增重0.84kg,而颤振速度却提高22.6％,满足了设计要求,而且大大加快了设计速度。     

柔性转子的优化平衡

本文提出一种柔性转子优化平衡准则—有约束的最小应变能准则,它能满足航空燃气涡轮发动机结构强度和性能一体化设计的要求。应用该准则时,平衡校正量(大小和方位)是优化参数,转子—支承系统的总应变能为目标函数;转子若干截面的振动幅值作为约束条件。选用了鲍威尔法和网格随机射线法,进行优化计算。编制了优化全过程的FORTRAN程序,并经算例和实验考核、验证。      

脱壳穿甲弹气动力-外弹道优化设计

本文将脱壳穿甲弹结构参数在飞行弹道上对空气动力特性、外弹道特性的相互影响作了分析,提出了在飞行弹道上对主要结构参数进行气动力-外弹道一体化优化设计的必要性。基于脱壳穿甲弹的弹道特点和战术技术要求,确定了优化设计变量、目标函数、约束函数。建立了一体化的优化设计数学模型,并利用空气动力数值计算、外弹道数值计算和最优化方法进行求解,编制了一套设计软件。通过对某小口径火炮脱壳穿甲弹优化设计应用表明,软件计算精度较高,优化设计后的脱壳穿甲弹主要弹道性能有了大幅度抛高,优化设计收到了很好的效果。     

轮盘最小重量设计

文中提出用一种纵向搜索——横向移动的直接优化方法来进行盘的最小重量设计。首先得出由一系列的局部最优点组成的可行域的应力约束边界,再经总体选优后,得出一个在旋转离心力、叶片拉力和非均匀温度场作用下满足强度要求的重量最小的盘。 应力分析用有限元素法。由于采用一种过渡等参元,使网格划分变得很方便。 最后,给出由OPDISK程序设计出的优化盘的例子。结果令人满意。     

复合材料翼面结构的自振和颤振分析及优化设计

 建立复合材料翼面结构的有限元静力分析模型。采用柔度方法作静力模型到动力模型的转变,进行结构固有特性分析,并研究了频率约束下的优化设计。运用亚音速马蹄涡——振荡偶极子格网法计算了谐振翼面的三维非定常气动力,并对两种真实翼面进行了颤振分析,结果令人满意。推导了非定常气动力和颤振响应参数对设计变量的导数,研究了颤振约束下的优化设计。     

采用多级优化技术进行复合材料结构可靠性优化设计

在可靠性基础上将结构体系可靠性优化设计方法发展至复合材料结构,并采有多级优化技术提出了复合材料结构可靠性优化设计方法。系统级优化以结构总重最小为目标函数,以满足结构体系可靠性指标要求为约束条件;元件级优化以元件可靠度最大为目标函数,以层板或元件重量在一次迭代中保持不变为约束条件,从而导出了相应的优化准则和迭代式。算例表明该方法的效率高、收敛性好,能推广应用于大型复合材料结构。     

连续纤维增强整体叶环结构方案优化设计

为设计出更轻质高强度的轮盘,提高航空发动机推重比,基于ANSYS优化平台,提出并建立整体叶环子午面结构参数化模型,筛选子午面主要结构优化设计变量,在金属盘结构设计准则应力标准基础上,提出并建立纤维增强整体叶环轻量化结构优化设计数学模型。扩展并建立复合材料轮环结构优化设计约束条件。借助轮环结构优化数学模型及ANSYS优化方法,通过典型纤维增强整体叶环结构优化设计,得到满足所有强度约束条件下的轻量化轮环结构,钛基SiC纤维在增强整体叶环结构的同时可以减少39.92%的质量,表明纤维增强整体叶环设计技术在叶环结构减重方面具有明显优越性,表明纤维增强整体叶环结构方案设计方法的有效性。     

考虑层间应力的复合材料层板优化设计

 复合材料层板结构的优化设计方法,不仅考虑了面内问题的宏观特性,而且考虑了层间应力分布的不均匀性。用面内弹性模量和层间应力分别作为设计空间的约束函数和目标函数。用SUMT法非线性程序确定最佳铺层方向。给出了一些典型的复合材料层板的优化设计结果。     

Topology optimization of turbine disk considering maximum stress prediction and constraints

For the stress-constrained topology optimization of a turbine disk under centrifugal loads, the jagged boundaries of the mesh and the gray densities on the solid/void interfaces could make the calculated stress field inconsistent with the actual value. It may result in overestimating the maximum stress and thus affect the effectiveness of stress constraints. This paper proposes a new method for predicting the maximum stress to overcome the difficulty. In the process, a predicted density is newly defined to obtain stable boundaries with thin layers of gray elements, a transition factor is innovatively proposed to evaluate the effects of intermediate-density elements, two different stiffness penalty schemes are flexibly used to calculate the elastic modulus of elements, and a linear stress penalty is further adopted to relax the stress field of the structure. The proposed approach for predicting the maximum stress value is verified by the analysis of a structure with smooth boundaries and the topology optimization of a turbine disk. An updating scheme of the stress constraint in the topology optimization is also developed using the predicted maximum stress. Some key ingredients affecting the optimization results are discussed in detail. The results prove the effectiveness and efficacy of the proposed maximum stress prediction and developed stress constraint methods.