基于复合材料机翼刚度的铺层自由尺寸优化分析

复合材料层合板的优化设计对于提高飞机结构承载能力具有巨大的潜在意义,自由单元尺寸优化技术是对复杂的复合材料结构进行优化的有效方法。本文从复合材料机翼翼盒的翼尖刚度控制出发,对机翼壁板铺层进行了自由尺寸优化设计分析。研究表明：在给定的机翼翼尖变形约束下,自由单元尺寸优化方法能够快速准确地设计机翼翼盒的复合材料铺层比例和厚度,寻找到最优的主传力路径布置,以及获得最小重量目标。     

基于遗传算法的大展弦比复合材料机翼结构优化设计

结构减重是飞机设计的一个重要目标,采用复合材料代替金属材料以及对结构进行优化设计可以达到减重的效果。针对一个大展弦比复合材料机翼,采用遗传算法,通过Matlab调用Patran进行建模分析,以结构强度、刚度为约束条件,同时对翼梁位置和复合材料铺层进行优化设计;根据实际工艺要求建立复合材料铺层库,以解决复合材料铺层变量过多的问题。结果表明:本文提出的优化方法有效,对工程设计有较大的指导意义;复合材料铺层库在其他涉及复合材料铺层优化的问题中也具有广泛的应用前景。     

考虑层间应力的厚复合材料结构多级优化设计方法

充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,厚复合材料结构优化设计是非常重要的。然而优化设计空间复杂,层间应力问题突出,离散设计变量等问题使得厚复合材料结构的优化变得十分困难。针对由铺层相同的子层板叠成的厚复合材料层合板结构的复杂优化问题,本文提出一种多级优化设计方法。第一级优化采用基于径向基神经网络代理模型的优化设计方法,设计变量为子层内层数及铺层比例;第二级优化分为两个层次进行,系统层以结构重量最轻为目标,设计变量为子层数,子系统层采用遗传算法优化铺层顺序,以层间应力因子最小为目标。结合算例,通过Matlab编写遗传算法,并应用Isight集成Matlab来实现该优化设计方法。结果表明:本文提出的多级优化设计方法是有效的,能够很好地实现具有周期性铺层方式的厚复合材料层合板结构的优化设计。     

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

复合材料螺旋桨结构多目标优化设计

在螺旋桨桨叶结构设计的工程实践中,减轻重量和增加扭转刚度是两个主要目标,而复合材料的应用增加了螺旋桨结构的可设计性。以某复合材料螺旋桨为例,基于有限元方法,以桨叶的复合材料铺层数量与铺层角度为优化设计变量,以螺旋桨桨叶强度、弯曲刚度为约束条件,采用快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该复合材料螺旋桨进行多目标优化设计。得到了关于两个目标函数的帕累托解集,即综合考虑桨叶质量与扭转刚度两个指标的最优设计参数集。本文为复合材料螺旋桨的结构设计提供了一种有效的思路。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片分区域铺层优化北大核心CSCD

为了提高复合材料螺旋桨叶片的结构刚度,分区域优化设计了叶片复合材料结构的铺层角度。根据螺旋桨叶片的厚度和载荷条件,将其划分为4个区域。铺层优化以0°、45°、90°及-45°四个方向的铺覆在各个区域的模拟结果为基础。与初始的铺层方案[0/45/0/-45]sn相比,优化后叶片的铺层方案能使铺层的主方向接近叶片各截面中心点的连线。优化后螺旋桨叶片的1阶和3阶频率提高超过了25%,2阶频率提高超过了5%;表面均布载荷下叶片变形减小了50%,热载荷下叶片变形减小了约25%;优化达到了提高叶片结构刚度的预期效果。分区域优化的方法既利用了复合材料的可设计性又提高了优化效率,适用于复杂复合材料结构的铺层优化。     

基于屈曲稳定性的复合材料铺层库优化设计

为了得到能便于复合材料结构优化设计同时满足制造约束的复合材料层压板铺层库，本文提出一种基于屈曲稳定性的复合材料层压板铺层库设计方法。首先，独立设计铺层角度数量表，便于多种铺层比例的快速移植和交叉融合；其次，以四进制方式对铺层顺序编码，遍寻满足约束要求的铺层顺序，确定核心铺层组范围，设计稳定性综合评价指标，优化核心铺层组铺层顺序，基于核心层组边界向上和向下逐层扩展，合并得到整个设计空间的复合材料层压板铺层库；最后，分析层压板折算刚度系数推导结果，给出铺层库均匀性调整方法。与手动调试铺层库相比，通过本文方法设计的铺层库临界失稳应力普遍提高10%以上，均匀性调整后的临界失稳应力依然提高5%以上。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

基于HyperSizer的复合材料舱门结构渐进式优化设计

结构重量是飞机复合材料结构设计需要考虑的重要因素和约束条件.针对某大型复合材料舱门设计方案,建立有限元模型,使用Patran/Nastran进行初步分析,再应用HyperSizer开展渐进式优化设计,优选出符合设计要求的方案,并计算构型的截面参数、铺层角度和铺层顺序等设计参数,完成结构建模和渐进式优化分析过程.结果表明:使用HyperSize进行渐进式优化设计,降低了结构的重量,达到了预期目标.     

面向设计的复合材料旋翼桨叶动力优化设计

提出一种面向设计的复合材料旋翼桨叶结构动力优化方法。采用典型剖面设计、变量连接、铺层变量连续化等方法,有效地处理了剖面内部形状、复合材料铺层、配重质量３类设计变量。在动力分析模型中考虑了剖面翘曲、耦合变形和陀螺力的影响,由三级数值计算模式实现固有频率灵敏度分析。约束条件包括了固有频率、结构重量、自转惯量等设计要求,优化求解采用基于序列二次规划的算法。上述方法真实反映了桨叶结构特征和实际工程设计要求。     

A single-level composite structure optimization method based on a blending tapered model

In order to decrease the number of design variables and improve the efficiency of com- posite structure optimal design, a single-level composite structure optimization method based on a tapered model is presented. Compared with the conventional multi-level composite structure opti- mization method, this single-level method has many advantages. First, by using a distance variable and a ply group variable, the number of design variables is decreased evidently and independent with the density of sub-regions, which makes the single-level method very suitable for large-scale composite structures. Second, it is very convenient to optimize laminate thickness and stacking sequence in the same level, which probably improves the quality of optimal result. Third, ply con-tinuity can be guaranteed between sub-regions in the single-level method, which could reduce stress concentration and manufacturing difficulty. An example of a composite wing is used to demonstrate the advantages and competence of the single-level method proposed.     

考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计

 复合材料蒙皮稳定性是飞机翼面结构设计需要考虑的重要方面。由于翼面结构稳定性理论分析的复杂性,工程中,通常采用与理论分析相比拟的简化方法、使用简便可靠的经验公式在设计过程中进行稳定性校核。多墙式结构是当前翼面结构中普遍采用的结构形式,墙的布局和蒙皮的厚度对复合材料蒙皮的临界屈曲载荷有着重要影响。因此,针对多墙式翼面结构,以工程经验公式为基础,以蒙皮单位长度上的的重量为优化目标,以墙的布局参数和蒙皮厚度为设计变量,以临界失稳载荷为约束,建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型,导出了目标函数敏度计算的解析式,并提出了优化问题的求解方法。以翼盒结构为例,验证了该方法的有效性。     

基于等基因序列双重随机遗传算法的复合材料铺层优化

复合材料铺层优化中常用的各种遗传算法，较难同时综合考虑表面45°、分层比例、连续铺层数限制等复杂工程约束问题，基于此，提出一种针对复合材料层压板的等基因序列双重随机遗传算法，在交换和突变算子中引入双重随机算法以保证优化迭代中基因序列的严格相等，基于SABRE 软件实现该优化算法，并通过算例验证算法的正确性。结果表明：该算法可满足均衡性、对称性、表面45°、连续铺层数限制、铺层比例等复杂工程约束，有较高的可靠性与工程适用性。     

Reliability design optimization of composite structures based on PSO together with FEA

The present work aims to develop a method for reliability-based optimum design of composite structures. A procedure combining particle swarm optimization (PSO) and finite element analysis (FEA) has been proposed. Numerical examples for the reliability design optimization (RDO) of a laminate and a composite cylindrical shell are worked out to demonstrate the effectiveness of the method. Then a design for composite pressure vessels is studied. The advantages and necessity of RDO over the conventional equi-strength design are addressed. Examples show that the proposed method has good stability and is efficient in dealing with the probabilistic optimal design of composite structures. It may serve as an effective tool to optimize other complicated structures with uncertainties.     

复合材料蒙皮/长桁壁板结构优化设计

针对复合材料蒙皮、长桁组成的典型刀型加筋结构,提出了一个两级三层优化方法。第1级壁板结构的质量为目标函数,采用改进的可行方向法对壁板结构进行尺寸优化。第2级以壁板结构的屈曲临界载荷作为目标函数,采用多层复合形法对壁板结构进行加筋尺寸优化和遗传算法对复合材料蒙皮进行铺层顺序优化。最后通过算例验证了优化策略的合理性。     

基于改进离散材料插值格式的复合材料结构优化设计

针对采用离散材料优化(DMO) 模型优化复合材料纤维分布时角度优化结果收敛率低的问题,将连续化惩罚策略与Heaviside惩罚函数引入传统DMO模型中,提出了一种改进的HPDMO (Heaviside Penalization of Discrete Material Optimization)模型,从而提高结构的收敛率。建立了复合材料单层板基于最小柔顺性设计的优化列式,给出了多种离散材料构成结构的灵敏度信息求解方法。分析比较了DMO模型、连续化惩罚模型和HPDMO模型对最终优化结果收敛率、目标函数、迭代历史的影响。数值算例表明,改进的离散材料惩罚模型不但可以显著地提高优化结果的收敛率,给出清晰的优化构型,而且可以通过较少的优化迭代步数实现这一结果,为纤维增强复合材料的优化设计在工程中的应用提供了新的技术手段。     

桁架结构尺寸和形状协同优化方法研究

在满足特定规范和约束条件下,设计出重量最轻的结构具有重要的工程意义。提出一种桁架结构形状、尺寸并行协同优化方法,该方法将桁架结构优化问题拆分为形状优化和尺寸优化两个子问题,通过并行协调实现尺寸设计变量和形状设计变量同时达到最优解;完成了三个典型桁架结构形状优化算例,结果表明：该方法对于桁架结构形状优化可行,且算法简洁,收敛快。     

Material optimization: bridging the gap between conceptual and preliminary design

This paper presents a collection of tools for conceptual structure design. The underlying model is the ‘free material optimization’ problem. This problem gives the best physically attainable material and is considered as a generalization of the sizing/shape optimization problem. The method is supported by powerful optimization and numerical techniques, which allow us to work with bodies of complex initial design and with very fine finite-element meshes. The computed results are realized by composite materials. We consider a particular class of fibre-reinforced composite materials, manufactured by the so-called tape-laying technology. In the post-processing phase, stress/strain-trajectories are plotted which indicate how to place these tapes; they also show the proposed thickness of the tapes. Several examples demonstrate the efficiency of this approach to conceptual design of engineering structures.