某卫星平台多结构工况下的优化设计

采用航天器结构优化系统ESSOSⅡ(Engineering System of Structural Optimization for Spacecraft),对某复杂卫星结构进行了以重量最轻为目标、以其中复合材料板件的铺层厚度为设计变量的优化设计,考虑发射(收拢)和在轨(展开)2种结构工况下的基频和应力等约束条件.基于2种结构工况下的有限元模型,采用二级多点逼近寻优算法进行优化求解,每一次优化迭代过程中均需对各结构工况模型作有限元分析.优化后结构重量比初始设计有明显降低,且满足收拢、展开结构工况中的所有约束条件,为卫星结构分系统的改进设计提供了依据,同时进一步验证了ESSOSⅡ系统的有效性.     

桁架结构的静动态特性有限元分析

通过对桁架结构的静、动态分析，探讨如何建立桁架的有限元模型及计算方法，并利用MSC．Patran／Nastran程序对该结构进行静、动态分析计算，计算结果与实际情况吻合。     

轻型空间相机主承力基板结构拓扑优化计

针对目前轻型空间相机主承力基板在结构设计过程中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化设计思想进行设计的方案.通过建立基于变密度方法的拓扑优化设计数学模型,运用Nastran软件对相机主承力基板进行拓扑优化设计,给出了主承力基板的最优设计方案.经过拓扑优化后相机主承力基板质量从初始的36.8 kg降低到15.4 kg,轻量化程度达58.2%.采用有限元分析方法对拓扑优化的结果进行了模态分析,以验证主承力基板刚度分布是否合理.通过0.5 g扫频振动试验对有限元分析结果进行验证,振动试验结果表明,主承力基板结构一阶自然频率理论分析与试验结果偏差1.86%,充分证明理论分析结果的正确性和准确性.整个优化设计过程证明,采用拓扑优化设计方法大大提高了研制效率,增强了空间相机主承力基板结构的性能,有效降低了基板的重量,满足系统设计要求.     

混合遗传算法在气动弹性多学科优化中的应用

利用遗传/敏度混合优化算法对复合材料前掠翼飞机进行气动弹性剪裁设计研究.在满足强度、位移、升力效率、副翼效率、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下,以机翼复合材料蒙皮铺层的厚度为设计变量,对蒙皮进行重量最小化设计.研究表明,在飞机结构初步设计阶段单纯使用基于敏度的优化算法,很难满足设计上的要求;使用遗传/敏度混合优化算法可以取得较好的结果,该方法适用于飞机结构初步设计.还研究了偏轴角对优化重量的影响.分析结果显示,对于文中所研究的这类蒙皮使用由0°、90°和±45°纤维组成的铺层的复合材料前掠翼飞机,在满足多个约束条件的前提下,其优化重量对于偏轴角的变化相对不敏感.      

着陆器软着陆机构的动力学分析

以某型号着陆器软着陆机构为研究对象,采用MSC.Patran/Nastran 对软着陆机构进行模态分析,得到结构模态的主要影响因素,主要包括机构尺寸和装配连接方式.主要分析了软着陆机构中主支柱、辅助支柱活塞杆和活塞筒壁厚、以及活塞筒端盖厚度对模态频率的影响,并对主支柱、辅助支柱活塞杆和活塞筒装配连接方式进行研究,接着提出一种基于Bush单元的装配连接方式,有效地解决了传统方法中用MPC(Multiple Point Constraint)刚性连接来模拟装配连接的不足,使仿真结果更加准确.最后对收拢状态下的模型进行了频率响应分析,结果发现在给定的频率范围内结构不会发生共振,进一步说明结构设计的合理性.     

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.      

直升机滑油换热器的结构优化设计

在直升机肋管式滑油换热器的初步热力性能设计计算基础上,应用数值优化原理,对滑油换热器结构的优化设计进行了研究,建立了结构优化程序.该程序以滑油换热器的重量为目标函数,采用正弦法去约束并结合单纯形加速法寻优.实例计算表明,将滑油换热器的热力性能计算程序同结构优化程序结合起来,可以建立自动匹配的换热器设计及优化程序系统.应用该软件,输入设计要求,就可获得既满足性能要求,且重量最轻的肋管式滑油换热器.该软件可推广应用于各种类型肋管式换热器.     

周边桁架式展开天线几何布局优化

讨论了某新型周边桁架式展开天线拉索系统的布局优化设计问题,将天线拉索系统的上、下悬索数量，以及中间调节索数量作为设计变量，在优化过程中主要考虑结构拉索系统原理精度约束，建立以结构重量最轻为优化目标，基于天线几何精度的展开天线布局优化数学模型．通过数值算例证明，拉索系统的布局优化设计对提高天线设计质量是非常有效的．     

基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化

针对民用飞机中广泛采用的双梁式机翼结构,以机翼结构纵向构件(长桁)和横向构件(翼肋)的数量为参数生成机翼CAD模型,然后基于Patran的PCL(Patran Command Language)语言,根据整体模型分割、局部模型编号、局部网格控制、整体有限元生成的思路,实现了以纵向和横向构件的数量变化为基础自动进行机翼结构有限元模型的构建及分析,并将上述流程集成到机翼结构的布局优化中.最后参照某大型民用飞机的机翼外形尺寸建立了CAD模型,以机翼的静强度、刚度和蒙皮稳定性为约束,以机翼结构质量最低为目标,对上、下蒙皮长桁和翼肋数量进行了优化.优化后的布局使机翼结构质量降低了10.1%,表明了布局优化方法的有效性和可行性.     

基于MSC/Patran的结构优化系统前后置开发与应用

在UNIX环境下,以MSC/Patran为平台,利用平台提供的二次开发工具PCL,通过客户化、增设特定的命令和窗体等技术开发了结构优化系统的前后置模块,并集成现有数值计算模块,形成工程程序系统.由此开发的系统前后置保持平台的原有强大功能,且易实现和赢得用户.最后通过算例说明了系统的实用性和工程有效性.      

三角形机翼参数化有限元网格划分与调整方法

为缩短有限元建模周期,提高三角形机翼结构分析、设计与优化的效率疲,首先,以其满足预定气动性能的几何外形为输入,定义了易用的有限元节点与单元的编号规则;基于可设计的机翼内部构型参数及可变的有限元尺寸参数的设置,引入了翼肋贯穿截止准则以满足任意输入的内部构型的初步判断;借助自定义形状矩阵完成了节点布置与单元生成,进一步通过有限元网格细化完成了开口设置、翼肋贯穿位置修正及桁条建模.然后,基于已建立的有限元网格实现了内外侧副翼翼肋位置的小幅调整及旋转舵面的角度调整,以满足不同飞行状态下结构分析需求.最后,应用PCL语言开发了参数化建模模块,实例表明了方法的有效性和模块可靠性.      

载荷不确定条件下的结构拓扑优化算法

研究了采用概率方法表示载荷不确定性时的连续体结构拓扑优化方法.基于线弹性体的位移叠加原理给出了结构柔度均值与方差的计算方法,并在此基础上给出了结构灵敏度分析方法.对于承受n个不确定载荷的平面结构,其柔度均值与方差以及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移而获得.给出了载荷不确定条件下以结构柔度均值与标准差的加权和最小为目标的拓扑优化算法,并通过数值算例验证了该方法的有效性及载荷不确定条件下结构拓扑优化结果的稳健性.该算法可以推广到三维结构问题.     

载荷不确定的周期性结构稳健拓扑优化

提出了一种考虑周期性几何约束的结构稳健拓扑优化设计方法。针对线弹性体结构,提出了载荷不确定性条件下周期性结构稳健拓扑优化模型;推导了周期性结构柔度均值与方差的敏度数表达式,并基于软删双向渐进结构优化法提出了载荷不确定性条件下的周期性结构稳健拓扑优化设计方法。2个不同约束条件下的实例表明:本文提出的优化模型稳定性较好;考虑载荷不确定性得到的结构与确定性载荷下得到的结构有很大的区别,且稳健性优化设计得到的结构更加稳定。     

基于非概率凸模型可靠性的结构优化设计

考虑到结构系统参数的不确定性,基于提出的非概率凸模型可靠性指标的新定义,研究了在非概率凸模型可靠性约束下,结构优化设计的数学模型和求解方法.该方法通过超椭球域界定不确定参量,将结构基本不确定变量安全域的超体积与其可行域的超椭球总体积之比作为结构非概率可靠性的度量.并赋值可靠度作为约束条件,利用乘子法和阻尼牛顿法对结构的优化问题进行迭代求解,算法稳定,迭代速度快.数值算例验证了所提出方法的正确性.     

面向涡轮叶片方案优化的变保真度设计系统

提出了面向涡轮叶片初始设计的变保真度的多学科设计优化方法,建立了自动化的设计系统以提高设计效率.该系统集成了分析工具和设计团队以及数据管理系统,使得设计过程自动地运行.开始设计阶段使用基于经验公式的低保真度模型;优化中的三维仿真过程使用基于精确的流体分析和结构分析的高保真度模型.过程按照模型保真度的不同分3个阶段,渐近地获得最优解,同时考虑非设计点的优化.通过实验设计搜索并逐渐缩小设计空间,使得高保真度分析所带来的计算成本得以减少.最后以一个2级轴流涡轮的叶片初始方案设计验证了本设计系统.     

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。