太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计

太阳能飞机翼肋结构轻薄且数量众多,其结构形式的合理性对于结构减重、机翼刚度设计等具有重要意义。基于现有太阳能飞机翼肋的结构形式,提出一种翼肋拓扑优化设计方法:首先,应用双向渐进结构优化法(BESO),以单元应力为判断指标,对太阳能飞机典型翼肋进行结构拓扑优化;其次,基于拓扑优化结果对翼肋进行结构细节设计;最后,通过有限元计算,验证翼肋的结构强度、刚度和静稳定性。通过本文方法,能够得到太阳能飞机翼肋更为合理的结构布局。     

基于拓扑优化的飞机垂尾设计

提出改变传统的机翼设计方式,引入拓扑优化的方法对飞机垂尾进行结构优化设计,根据设计要求对其进行模拟仿真,找出最佳传力路径,并根据该路径找出垂尾的最佳结构形式;同时在优化设计过程中,采用了形状优化等对其进行二次优化：对拓扑优化的结果进行完善,得到更合理的材料布局形式,意在将结果推广到三维的实际设计当中,并得到更广泛的应用。     

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。     

双后掠布局无人机翼面结构设计与分析

对双后掠布局无人机进行了结构设计,确定了翼面结构方案,并利用有限元软件MSC.Nastran进行应力变形分析,结果达到设计要求;同时为了节省计算周期,以布局外形参数设置为驱动参数,使用CAD软件Catia为结构建立了参数化模型,并将其作为结构优化的输入文件,通过Patran完成优化设置,用Nastran完成结构质量优化,这些工作为气动结构一体化设计奠定了基础。     

增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法

应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总重量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知：散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。     

基于拓扑和尺寸优化的翼肋类结构设计研究

开展了以机翼翼肋为模型的布局与尺寸优化设计,在结构优化的过程中,采用两级优化的设计方法。第一级采用拓扑优化,应用变密度法,由此得到了翼肋大致构形及其挖孔位置;第二级采用尺寸优化,将复合形法与NASTRAN的方向法相结合,分别优化出翼肋上杆的截面积和肋板各部分的厚度,两者相互结合,最终完成了翼肋结构的布局优化设计。对普通肋板和优化之后的肋板在性能参数上做了对比研究。结果表明：经过结构优化,结构材料的质量减少约30%（自定义约束条件）,同时,结构自身的刚度,强度等性能参数有很大改进,验证了文中算法在减重方面是可行和有效的。     

基于代理模型的结构外形优化

提出了一种将代理模型用于机翼结构外形优化的方法。重点介绍了建立结构分析代理模型的过程,包括确定设计变量及取值范围、生成试验设计点、建立参数化结构模型、有限元结构优化设计、提取结构特性并构造代理模型。最后通过一个简单的机翼结构优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计

为了实现航空发动机冷端风扇叶片在考虑鸟撞情况下的轻量化设计,从结构拓扑优化计算的角度出发,对该问题展开深入的研究并提出具体的解决方案。针对叶片优化中存在的优化模型建立,结构动态工况优化,多条件约束并存处理,多工况联合优化等关键问题,进行了理论上的深入分析研究,阐述了结构多约束、多工况动态优化的理论基础,并结合相应的数值计算平台,提出了风扇叶片分步优化计算的方案,对航空发动机叶片进行拓扑优化计算。计算结果显示,最终的叶片轻量化结构满足所有鸟撞与离心载荷多工况的优化约束条件,拓扑结构中材料分布合理,在满足适航条例强度要求的同时质量减少达37.9%,具有一定的实际参考应用价值,同时所提出的动态优化计算方案,在工程结构的动态优化中具有广阔的应用前景。     

鼠笼式弹性支承结构参数分步优化设计方法

为进一步提高鼠笼式弹性支承结构支承刚度设计的准确性,同时最大限度地减小鼠笼受到的最大应力,在相关研究的基础上,基于参数化建模思想,并结合有限元优化技术提出分步优化设计方法.采用鼠笼式弹性支承的刚度和应力计算公式并结合加工装配条件初定1组满足设计要求的结构参数值;建立鼠笼式弹性支承的有限元优化模型,并将初定的结构参数值代入到有限元优化模型作为优化的初始迭代值,同时以鼠笼笼条的长度和厚度为优化参数,经过迭代计算得到满足工程需求的结构参数.该方法可提高设计精度,节省设计时间.最后,结合具体算例验证了优化设计方法的有效性和实用性.     

基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法

为了解决周期循环结构拓扑优化难题,在传统的双向渐进结构优化方法(BESO)的基础上,引入了一种自适应参数策略和随机抽样的方法,提出了基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法,该方法同样适用于非周期结构.以该方法为基础,对Michell桁架结构进行了拓扑优化设计,得到了与理论解一致的结构,并且相对初始结构质量减少了71.5%,说明了所提方法的正确性.基于此方法对多辐板风扇盘进行了结构拓扑优化设计,得到了三辐板风扇盘结构,相比同等设计条件下的参考风扇盘质量减少了17.12%,进一步说明了此方法具有处理复杂周期循环结构拓扑优化设计问题的能力,另外此方法克服了传统双向渐进结构优化方法中容易产生的振荡问题.      

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

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。     

Topology optimization in lightweight design of a 3D-printed flapping-wing micro aerial vehicle

Topology optimization is an effective method to obtain a lightweight structure that meets the requirements of structural strength. Whether the optimization results meet the actual needs mainly depends on the accuracy of the material properties and the boundary conditions, especially for a tiny Flapping-wing Micro Aerial Vehicle (FMAV) transmission system manufactured by 3D printing. In this paper, experimental and numerical computation efforts were undertaken to gain a reliable topology optimization method for the bottom of the transmission system. First, the constitutive behavior of the ultraviolet (UV) curable resin used in fabrication was evaluated. Second, a numerical computation model describing further verified via experiments. Topology optimization modeling considering nonlinear factors, e.g. contact, friction and collision, was presented, and the optimization results were verified by both dynamic simulation and experiments. Finally, detailed discussions on different load cases and constraints were presented to clarify their effect on the optimization. Our methods and results presented in this paper may shed light on the lightweight design of a FMAV.     

面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法

为了提高航天器回转曲面加筋型连接结构的集中力扩散效率,需要开展回转曲面加筋集中力扩散结构设计。传统放射肋设计方法普遍依赖设计经验、难以满足集中力高效扩散需求。因此,提出一种面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法。第1步,建立了一种基于各向异性过滤技术的集中力扩散拓扑优化方法,保证拓扑优化结果满足回转曲面加筋制造工艺要求;第2步,提出了一种基于网格变形技术的拓扑优化结果智能重构方法,可高效准确地对回转曲面加筋拓扑优化结果进行模型自动重构。基于所提出方法,以卫星平台对接环这种典型的回转曲面加筋壳为对象开展算例研究,并将优化结果与传统放射肋设计结果进行对比。结果表明,所提出的优化方法可得到加筋构型清晰、满足回转曲面加筋制造工艺要求的优化结果,且具有集中力扩散效率高、网格质量依赖性低、拓扑特征重构高效等优点。     

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.     

考虑承载面最大位移约束的结构拓扑优化方法

在实际工程问题中，存在着一类承受分布力载荷作用的工程结构。为了实现此类结构的刚度设计要求，提出限制承载面变形的拓扑优化设计新模型。模型采用KS包络函数对承载面节点位移进行凝聚化处理，并推导了相应的伴随方程和敏度表达式。遵循独立连续映射法建模方式，采用一阶和二阶泰勒展开分别得到约束函数和目标函数的显式表达式。由此将优化问题转换为一系列标准二次规划子问题，采用序列二次规划算法进行高效、稳健求解。通过二维、三维数值算例验证了提出模型的可行性和有效性。结果表明，所提出的列式和相应的优化求解算法能有效控制结构局部区域的最大变形量。     

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

转子结构布局及其力学特性优化设计

针对高推质比航空发动机结构设计，提出了航空发动机转子结构布局优化设计方案。对总体结构布局的优化可以有效提高材料使用效率，获取更优的力学特性，减小结构质量以提高推质比。介绍了转子结构布局的研究内容，给出了结构布局优化设计方法，并通过对高负荷转子结构系统的布局优化设计，验证了结构布局设计方法的可行性。算例结果表明:该方法可使结构效率损失系数降低0.335，方法的创新对航空发动机转子系统初始结构设计具有指导意义，对转子结构设计方案筛选和缩短设计周期具有重要的作用。      

基于ordered-EAMP模型的多材料传热结构拓扑优化

基于多材料变密度拓扑优化方法提出了一种密度指数函数插值的有序多材料性能近似(ordered exponential approximation of material properties,ordered-EAMP)模型,数学性质以及算例表明,与传统的SIMP/RAMP插值相比,该模型具有计算稳定,收敛速度快,优化结构灰度单元少的特点。在优化准则(OC)法求解变密度拓扑优化模型时,构造了一种适用于多材料的密度过滤格式,算例表明:可以有效减少灰度单元,且降低了优化的目标函数值。运用MATLAB-ANSYS联合优化,实现三类热边界条件下复杂热环境的多材料传热结构拓扑优化。相比于高热传导系数的单材料结构,多材料传热拓扑优化结构由于各种热传导系数材料的优化分布,结构的传热势容耗散更小,算例4中对比分析降低了20.3%,传热效率更高。