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。     

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。     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。     

基于多相材料的连续体结构动态轻量化设计方法

为了实现基于多相材料的结构轻量化设计,遵循独立连续映射法,提出了以结构总重最小化为目标和给定特征值为约束的拓扑优化模型。方法采用2类独立拓扑变量实现了单元刚度矩阵、质量矩阵和重量插值。推导了固有特征值和总重量的敏度表达式,通过1阶和2阶泰勒展开得到其近似表达式。对约束函数一次项过滤转换为偏微分方程的求解,消除了棋盘格现象和网格依赖性等数值不稳定性。通过二维数值算例验证了提出方法的可行性和优越性。结果表明,与单相组分材料拓扑优化结构相比,多相材料拓扑优化结构具有更轻的重量。通过附加相邻频率间隔约束或增加高阶频率约束,避免了模态交换现象。     

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。     

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。     

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。     

水平集法在多相材料细观结构优化中的应用

利用高精度通用单胞模型将多相材料的细观拓扑结构和宏观力学性能联系起来,将一个单胞离散成有限个单元,通过单元中材料的有无来描述细观结构,利用水平集法将这个离散变量的拓扑优化问题转化为连续变量的形状优化问题,从而实现了多相材料的细观结构优化.以一种多相材料结构为例进行了细观结构的优化,并获得了具有负泊松比的特性,从而验证了所提出方法的合理性.      

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。     

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。     

Stiffeners layout design of thin-walled structures with constraints on multi-fastener joint loads

The purpose of this paper is to present an extended topology optimization method for the stiffeners layout design of aircraft assembled structures.Multi-fastener joint loads and manufacturing constraints are considered simultaneously.On one hand,the joint loads are calculated and constrained within a limited value to avoid the failure of fasteners.On the other hand,the manufacturing constraints of the material distribution in the machining directions of stiffeners are implemented by an improved piecewise interpolation based on a beveled cut-surface.It is proven that the objective function is strictly continuous and differentiable with respect to the piecewise interpolation.The effects of the extended method with two different constraints are highlighted by typical numerical examples.Compared with the standard topology optimization,the final designs have clearly shown the layout of stiffeners and the joint loads have been perfectly constrained to a satisfying level.     

Topology optimization of joint load control with geometrical nonlinearity

This paper presents an extended topology optimization approach considering joint load constraints with geo-metrical nonlinearity in design of assembled structures. The geometrical nonlinearity is firstly included to reflect the structural response and the joint load distribution under large deformation. To avoid a failure of fastener joints, topology optimization is then carried out to minimize the structural end compliance in the equilibrium state while controlling joint loads intensities over fasteners. During nonlinear analysis and optimization, a novel implementation of adjoint vector sensitivity analysis along with super element condensation is introduced to address numerical instability issues. The degrees of freedom of weak regions are condensed so that their influences are excluded from the iterative Newton-Raphson (NR) solution. Numerical examples are presented to validate the efficiency and robustness of the proposed method. The effects of joint load constraints and geometrical nonlinearity are highlighted by comparing numerical optimization results.     

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。     

拓扑优化在机载计算机结构设计中的应用

为了解决机载计算机零件结构设计过程中出现的材料分布不合理及重量要求苛刻等问题，在设计过程中引入拓扑优化。介绍了基于变密度法的拓扑优化理论，以Hyperworks／Optistruct为拓扑优化分析平台，对某机载计算机零件进行了拓扑优化，确定了零件的最佳材料分布。结果表明：通过优化设计可以在保持零件基本结构性能的基础上减轻其重量。     

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。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统设计相比,在满足系统刚度、频率及动态特性的前提下,优化后的3个结构件质量分别减小18.3％、22.6％和18.0％,整体质量减小18.7％,实现了惯导系统结构的轻量化设计.     

压力载荷下的结构拓扑-形状协同优化

 压力载荷作用下的结构轻量化设计是工程中的常见问题,由于压力加载面的可设计性,现有以固定载荷为基础的拓扑优化技术不能很好地处理这类问题。直接采用CAD参数化样条或B样条曲线描述压力加载面,通过拓扑和形状变量的联合优化满足了工程实际对结构轻量化与边界的功能性与光滑性设计要求。同时,为了避免结构边界形状变化时有限元网格刷新引起的定义拓扑伪密度变量的困难,用所提出的背景网格和密度点技术实现了每一步单元密度设计迭代结果的自动传递,并采用网格变形技术实现了形状设计变量灵敏度分析。采用4个数值算例验证了方法的有效性,其中发动机承力框架的设计结果充分说明该方法在航空结构设计中的重要应用价值。