大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析

针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计。机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化。拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析。采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性。     

热-机载荷联合作用下的结构一体化优化设计

穿越地球大气层的高速飞行器同时受到气动加热载荷和机械载荷的作用,其结构设计必须满足热和机械设计要求。本文采用权函数法,同时考虑了机械性能和导热性能要求,以结构质量最轻为目标函数,分别对结构型式和结构参数进行了优化设计。首先,对应不同机械载荷和温度载荷要求的权重之比,进行多目标拓扑优化,获得合理的结构型式;然后,对应拓扑优化得到的不同结构型式,进行结构参数化建模,用遗传算法进行结构参数优化,找出最优解;最后,通过加筋板的实际算例,验证了该方法的可行性和有效性。     

载荷敏度抑制下涡轮盘拓扑优化及结构演化

航空发动机涡轮盘工作时承受的离心载荷是一种典型设计相关载荷,这类问题的变密度结构拓扑优化需要解决低密度单元的材料附属效应和目标函数非单调等求解上的困难。基于变密度拓扑优化模型,运用指数型材料性能近似(EAMP)模型避免材料附属效应并提高收敛速度;构造了一种新的灰度抑制方法减小拓扑结构灰度;提出载荷敏度抑制算法求解设计相关载荷的拓扑优化问题。算例表明算法有效并且灰度单元少、收敛速度快。通过载荷敏度抑制系数讨论,从拓扑优化算法角度揭示了传统单辐板涡轮盘与近年广泛研究的双辐板涡轮盘结构之间的联系及演化规律。     

针对局部非线性问题的混合坐标模态综合法

非线性动力系统模型的计算效率问题是结构动力学领域中的重要研究课题。提出了一种针对局部非线性问题的混合坐标自由界面子结构模态综合方法。根据局部非线性系统的特点,将结构按照线性部分与非线性部分进行分割。线性部分子结构可以通过模态坐标转换到模态空间。在对线性部分进行减缩的过程中考虑了剩余柔度的影响,并通过构造一组与低阶模态关于系统矩阵加权正交的向量组,解决了子结构含有刚体模态时剩余柔度矩阵无法计算的问题。非线性部分子结构则保留原有的物理坐标。通过界面协调关系,采用自由界面方法得到系统混合坐标综合方程。最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。     

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。     

多工况下的发动机支架拓扑优化设计

为综合考虑航空发动机支架的各性能指标，提高支架结构的设计质量并实现轻量化，进行了结构拓扑优化方法在发动 机附件支架设计中的应用研究。以某油滤支架为例，根据该油滤附件与其相邻结构的相对空间位置关系建立支架的初始模型，基 于HyperWorks软件平台，在工况分析及载荷简化的基础上，以总柔度为目标函数，采用加权折衷规划法建立了多工况下的支架结 构拓扑优化的数学模型，并对比了优化前后支架的应力、位移、固有频率和质量。结果表明：在静强度储备相当的基础上，优化后 支架质量减轻了23％，结构刚度整体上提高了30％以上，且第1阶固有频率提高了62％，减轻支架质量的同时提高了结构性能，可 为发动机类似结构的优化设计提供一定的参考。     

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。     

机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化

针对机翼后缘柔性支撑结构的多目标拓扑优化问题,分析了柔性支撑结构的优化目标及目标函数,并采用位矩阵表示机翼后缘柔性支撑结构,利用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该优化问题进行了求解。在优化过程中,引入连通性分析和相似个体过滤,借助ANSYS对可行个体进行有限元分析(FEA),获得了结构质量、变形性能和承载能力等目标值。通过MATLAB对违约个体进行惩罚,实现了位矩阵表示的NSGA-Ⅱ,得到了一组互不支配的机翼后缘柔性支撑优化结构,可根据实际需求选择这些相应的拓扑结构。结果表明,本方法可为机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化提供可行、有效的解。     

基于优化Kriging模型和重要抽样法的结构可靠度混合算法

 结构可靠度分析计算通常采用多项式响应面拟合隐式极限状态函数,但对于复杂航空航天机械结构产品极限状态方程往往表现出高度非线性,此时多项式响应面的模拟精度不够就会造成计算不收敛。为了提高结构可靠度计算的精度、效率和收敛性,提出了基于优化Kriging模型和重要抽样法的结构可靠度计算方法。首先,利用人工蜂群算法对Kriging模型的参数进行优化;再用优化后的模型模拟隐式极限状态函数,结合重要抽样法不断修正抽样重心,逐步提高模拟精度以达到给定要求;最后,结合一阶矩法(FORM)/二阶矩法(SORM)经典算法求解结构可靠度。该方法提高了高度非线性隐式极限状态方程可靠度计算的精度和收敛性,并且具有较高的计算效率。     

基于改进L-SHADE算法的航空发动机性能退化评估

针对航空发动机健康因子求解寻优精度差的问题，提出了一种基于改进L-SHADE算法的航空发动机性能退化评估方法。首先，采用多工作点分析方法拓展发动机健康因子估计的适应度函数，解决气路测量传感器数量不足的问题；其次，通过引入非线性种群缩减策略解决种群快速缩减的问题，同时通过改进的优化加权变异策略，改变不同迭代阶段贪婪算子的权值，增加算法的全局搜索和局部开发能力；最后，在30个经典基准函数上验证了改进算法的收敛精度和鲁棒性。对航空发动机性能退化评估的计算结果表明，改进L-SHADE算法增强了算法迭代前期的种群多样性和算法后期的开发能力，计算精度较标准L-SHADE算法平均提高了65.5%，能够满足工程精度要求，具有较强的工程适应性，能够应用于实际飞参数据，从而为发动机健康管理和性能监测提供理论依据。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。      

鼠笼式弹性支承的柔度计算及影响因素分析

鼠笼式弹性支承常用于现代航空发动机调整临界转速以实现振动抑制。针对理论公式在工程应用中预测柔度较小的 鼠笼式弹性支承的柔度时存在一定误差的问题，基于有限元法进行了鼠笼式弹性支承柔度数值计算。讨论了弹支数值仿真计算 边界条件的合理性，分析了笼条根部倒圆、非笼条鼓筒及工艺简化导致笼条截面形状改变等因素对鼠笼式弹性支承柔度的影响； 将非笼条局部增大刚度模型的仿真计算结果与理论公式计算结果进行了对比，以验证有限元数值计算的可靠性。结果表明：由 非笼条局部增大刚度模型得到的数值仿真计算结果与理论公式得到的理论解吻合很好；理论公式未考虑的非笼条鼓筒部分、笼 条根部倒圆等因素对柔度预测有一定的影响。采用有限元数值仿真方法进行弹支结构的柔度设计，可以克服理论解析方法无法 考虑倒角等结构细节特征影响的局限性，从而获得更逼近真实条件的鼠笼式弹性支撑结构设计方案。     

多工况载荷下航空发动机支架拓扑优化设计

将基于变密度法的拓扑优化技术引入到航空发动机外部支撑结构(例如附件支架)设计中,以多工况下的总柔度为目标函数,以体积为约束函数对某发动机支架进行基于拓扑优化的结构设计。根据发动机机匣与附件的相对位置关系建立支架初始模型,开展发动机外部支架结构受力分析研究,建立了基于多工况载荷下拓扑优化和考虑强度影响的尺寸优化相结合的发动机外部支撑结构设计方法,并对最终支架结构进行强度、振动、外廓性校核评估。结果表明：最终模型最大应力出现在工况3情况下,最大主应力为345 MPa低于材料疲劳极限;支架的第1阶固有频率在发动机最高转速频率的125倍以上。采用该方法对某发动机外部支撑结构进行拓扑优化设计,在满足强度、振动和外廓要求的前提下,最终模型质量仅为初始模型的73%。基于多工况的优化结果更符合发动机实际工作需求,该方法研究具有工程应用前景。     

民用飞机机身壁板复杂试验载荷优化技术

针对民用飞机复合材料机身壁板强度试验中的载荷预计问题，构造了基于应变误差矩阵的壁板试验载荷优化模型，并利用多维极小值优化算法预计了壁板试验载荷。首先，基于机身壁板在试验装置中的受载形式，建立了机身壁板及试验装置有限元模型，并计算了各试验基准载荷作用下的机身壁板应变矩阵；其次，基于机身壁板在全机身受载状态下和试验受载状态下的应变矩阵之差，同时考虑矩阵中各元素的加权系数，构建了机身壁板应变误差矩阵，并以应变误差矩阵所有项的平方和最小为目标，以各基准载荷的系数为优化变量，以各基准载荷系数的上下限为约束，构建了基准载荷系数优化函数；基于罚函数法对优化函数进行了无约束处理，并利用最速梯度法进行了载荷系数优化；最后，基于优化得到的载荷，计算了机身壁板在试验复合载荷作用下的应变，并与机身壁板在全机身受载状态下的应变相对比，应变的分布趋势基本一致，应变误差在10%以内，证明该方法可以为机身壁板试验载荷的确定提供支持。     

基于支持向量机和粒子群算法的压气机特性计算

改进和实现了支持向量机用于函数回归估计的算法,并将支持向量机和粒子群优化算法运用于压气机特性计算,以寻找压气机进口换算空气流量和效率随增压比、转子转速、压气机进气角度变化的非线性函数关系,将进气角度作为一个影响因子列入考虑范围,改进了以往只考虑压气机特性随转子转速和增压比变化的计算方法。用支持向量机回归估计压气机特性随各因子变化的非线性函数,用粒子群优化算法对非线性函数逼近度进行全局优化,计算结果表明,设计的算法能准确地回归估计出描述压气机特性的非线性函数,算法是有效的。      

水陆两栖飞机静力试验优化机翼变形的载荷配平

水陆两栖飞机全机静力试验的浮筒着水工况试验中，在试验允许的常规载荷配平方案下，压向大量级水载荷作用于浮筒结构引起机翼较大变形，影响试验精度，因此进行以减少机翼变形为目标的载荷配平研究。将机翼近似为悬臂梁结构，在构建的机翼力学模型基础上应用Green函数建立机翼的挠度曲线方程。首次以考核区域边界肋的挠度和转角为优化目标并建立多目标函数，通过层次分析法和极差变换标准化处理方法将其转化为单目标函数后，采用引入交叉和变异因子的改进蚁群算法进行载荷配平方案优化运算。有限元分析及试验结果显示，优化得到的载荷配平方案可以显著地减少机翼变形，配平载荷不影响考核区域的真实变形，证明了该优化方案的正确性和可行性。     

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。     

用规范型直接法研究立方非线性机翼的颤振

研究了在不可压缩流中具有立方非线性俯仰刚度的二元机翼的颤振问题。首先，对系统平衡点进行了特征值分析，得到在Hopf分岔点附近的颤振参数方程。然后，应用规范形直接法的Maple推导程序，计算得到Hopf分岔的规范形．并数值模拟验证了超、亚临界类型分岔情形下响应对初值的依赖性。最后．分析了线性和非线性刚度系数对颤振响应拓扑结构的影响。     

考虑间隙和拧紧力矩的复合材料钉载分配均匀化方法

一种通过调整钉-孔间隙和拧紧力矩改善复合材料多钉连接钉载分配不均匀性的方法被提出。首先，基于改进的钉载分配测量方法测量各钉承载比例，采用SPSS软件得到各钉载比例的多元线性回归函数，并以钉-孔间隙和拧紧力矩为设计变量，建立多钉连接钉载分配的线性优化模型。然后，采用单纯形算法对优化模型进行求解，得到优化解。最后，以三钉单剪连接为例，对比计算和试验测量结果。结果表明：求解结果与试验测量结果吻合度较高；优化后，最高钉载比例从36.06%降低到33.45%；三钉单剪连接结构承载能力提高约10.8%，且改善结构失效形式为钉-孔挤压失效。     

基于稳定性优化对翼面结构设计带来的思考

通过构建简单模型来揭示飞行器翼面复杂结构中存在值得探讨的专题，是本文要研究的内容。以结构稳定性条件作为切入点，利用多格薄壁盒作为简化模型来模拟翼面结构的主要承力部分，巧妙地降低了问题的复杂性。其图形曲线特征表明：该优化问题的目标函数非凸不连续，而且还具有多个局部最优解；进一步的计算指出：无论是替换材料，还是增减载荷大小，或者改变几何参数的尺寸，此模型的最优结构拓扑形式均要发生变化。从本文所做的工作可以推知：无论从学术研究角度，还是工程应用方面，基于稳定性约束的翼面结构优化设计均是一个值得研究的专题。