随机振动响应下的组件结构布局优化设计

 从工程应用需求出发,研究了随机振动载荷作用下的组件结构布局优化问题。提出采用有限包络圆族描述组件外形轮廓的近似方法,有效解决了设计过程中预防组件干涉的问题;建立了随机振动响应分析有限元模型,并对模型进行了实验验证与结果分析。在此基础上,以随机振动载荷下特定点自由度响应均方根（RMS）值之和最小为目标函数建立了组件布局通用优化设计模型,研究了单一组件与4组件问题的布局优化问题,并分别采用梯度优化算法和遗传算法进行优化求解比较研究。结果表明,所提出的设计方法能够有效地实现随机振动响应下的组件结构布局优化设计,两种优化算法均能显著降低结构关键部位的动力学响应。     

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。     

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。     

基于响应面法的跨声速机翼气动优化设计

响应面法由于其高效、实用的特点,近年来在优化设计领域受到越来越多的重视。本文将响应面法引入到气动数值优化设计中,完成了跨声速机翼单、多目标多约束气动优化设计。该方法采用D优化准则在设计空间内选择一系列样本点,通过求解三维Euler方程进行气动数值试验,来建立二次多项式响应面模型,并在此基础上得到优化的气动外形。以M6机翼为原始机翼的单、多目标多约束优化设计算例表明:采用的响应面法能够较好的捕捉在跨声速流动中目标函数的非线性特征和消除流动中的高频噪声;响应面模型精度满足设计要求,计算误差均小于3%,因而保证了设计方法的实用有效。对于单目标机翼阻力优化设计,阻力系数减少了19%左右。     

基于熵产最小曲线型散热器参数优化设计

基于参数化设计和模拟方法,采用VB开发了放射状散热器参数化设计模拟软件,可自动生成高质量的六面体网格和进行数值计算.利用该软件快速对风扇散热器组件的结构参数进行性能分析和讨论,加深了对风扇散热器组件各主要参数在散热器整体性能中影响程度的认识.采用并行计算流体力学方法,基于组合优化策略以熵产最小为目标函数对多参数结构风扇散热器组件进行优化,曲线型散热器优化结果比初步设计方案的性能提高了7%.      

用于确定性计算仿真的响应面法及其试验设计研究

确定性计算仿真在科学研究和工程技术中的应用非常广泛。为精确有效地计算系统多个响应特征对不同自变量的响应,基于试验设计的响应面法就是一个行之有效的方法。该方法能够求解较大规模的优化设计、结构可靠性分析、模型修正和模型确认等问题,并可以全面掌握系统响应特征的变化。本文围绕如何获得高阶高精度的响应面问题进行了研究,把几种现代试验设计方法做了改进和发展,成功应用于确定性计算仿真,使用多个典型算例与全因子试验设计进行了比较,得到了满意的结果,算例的设计变量达16个,响应面模型的阶次达15阶。     

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。     

序列响应面法及其在飞机结构可靠性分析中的应用

响应面法是当前求解大型结构可靠性问题最有希望的方法之一。本文阐述了响应面法的基本思想，提出了一种与重要取样法相结合的序列响应面法，并介绍了基于这种方法的飞机结构可靠性分析程序RSM。文中给出了用RSM对一系列结构问题（包括著名的AGARD机翼模型）进行可靠性分析的结果，并通过与精确解及随机有限元计算结果的对比，指出了本文所述方法与程序的实用性。     

双向顺序耦合法求解动力响应的试验验证

为验证双向顺序耦合法求解的可信性,设计并建立一套气流激振下叶片结构的动力响应试验系统.通过平板叶片振动响应的计算与试验对比分析,验证双向顺序耦合法适用于非共振状态以及共振状态的动力响应求解,数值仿真结果可以准确地反映振动响应的时域变化规律和频域特征.计算求得的振动位移和振动应力具有较好的计算精度,相对误差在40%以内,...     

Simultaneous optimization of structure together with attached tuned mass dampers considering dynamic performance

Tuned Mass Dampers(TMDs) are often attached to a main structure to reduce vibration, and the TMDs’ positions are important to affect the structural dynamic performance. However, the TMDs’ positions and the material layout of the structure act on each other. This paper suggests a design optimization method by combining the topology optimization of the main structure and the layout of the attached TMDs under harmonic excitations. The main structure with the attached TMDs are modeled by the continu...     

Structural topology optimization under stationary random base acceleration excitations

Structural topology optimization subjected to stationary random base acceleration excitations is investigated in this paper. In the random response analysis, the Large Mass Method(LMM) which attributes artificial large mass values at each driven nodal Degree Of Freedom(DOF) to transforming the base acceleration excitations into force excitations is proposed. The Complete Quadratic Combination(CQC) which is commonly used to calculate the random responses in previous optimization has been proven to be computationally expensive especially for large-scale problems. In order to conquer this difficulty, the Pseudo Excitation Method(PEM) and the combined method of PEM and Mode Acceleration Method(MAM) are adopted into the dynamic topology optimization, and random responses are calculated using these two methods to ascertain a high efficiency over the CQC. A density-based topology optimization method minimizing dynamic responses is then formulated based on the integration of LMM and PEM or the combined method of PEM and MAM. Numerical examples are presented to verify the accuracy of the proposed schemes in dynamic response analysis and the quality of the optimized design in improving dynamic performance.     

Layout design of thin-walled structures with lattices and stiffeners using multi-material topology optimization

In this paper, the thin-walled structures with lattices and stiffeners manufactured by additive manufacturing are investigated. A design method based on the multi-material topology optimization is proposed for the simultaneous layout optimization of the lattices and stiffeners in thin-walled structures. First, the representative lattice units of the selected lattices are equivalent to the virtual homogeneous materials whose effective elastic matrixes are achieved by the energy-based homogenization method. Meanwhile, the stiffeners are modelled using the solid material. Subsequently, the multi-material topology optimization formulation is established for both the virtual homogeneous materials and solid material to minimize the structural compliance under mass constraint. Thus, the optimal layout of both the lattices and stiffeners could be simultaneously attained by the optimization procedure. Two applications, the aircraft panel structure and the equipment mounting plate, are dealt with to demonstrate the detailed design procedure and reveal the effect of the proposed method. According to numerical comparisons and experimental results, the thin-walled structures with lattices and stiffeners have significant advantages over the traditional stiffened thin-walled structures and lattice sandwich structures in terms of static, dynamic and anti-instability performance.     

干摩擦阻尼器对宽频多阶次激励减振效果分析

在对干摩擦阻尼非线性系统响应求解的高阶谐波平衡法、摩擦力时域求解的时间推进法以及时频转换（AFT）法中的关键技术进行介绍的基础上,采用将时频转换法与高阶谐波平衡法相结合的方法对典型航空发动机叶片缘板阻尼器宽频多阶次激励的减振效果进行计算与分析.通过与直接积分法获得的结果进行对比,表明该方法具有较高的计算精度,且计算效率远远高于直接积分法.对比了保留不同谐波阶次时的计算结果,说明对航空发动机中宽频多阶次激励下的干摩擦阻尼系统进行分析计算时需要保留非线性力的高阶谐波成分,才能获得准确的结算结果.干摩擦阻尼器对于不同频率成分激起的共振峰值的最优正压力值不同,实际中应针对激振频率带宽及具体的减振需求,对阻尼器的设计参数进行优化设计,使得系统在整个工作频带上振动响应最小.      

考虑气动弹性约束的机翼结构布局优化设计

提出了一种气动弹性约束下的复合材料机翼结构布局优化设计方法.机翼内部翼梁的数目与机翼各部件的尺寸被统一来考虑,拓扑变量和尺寸变量由一个双层循环机制的优化程序来统一处理.第一层,使用蚁群算法来处理拓扑设计变量;第二层,使用NASTRAN的Sol200优化程序来处理尺寸变量,同时考虑强度、刚度、颤振约束,并将第二层的优化结果反馈给第一层以催生出更优的结构布局方案.最后,使用基本的颤振优化(没有调整结构布局)与本文方法对某前掠机翼进行了布局优化设计,并将结果进行了对比.结果表明,综合考虑各种设计约束下,结构布局形式对结构质量有重要影响,应予高度重视,同时证明了本文方法的正确性与可行性.     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

Geometry and size optimization of stiffener layout for three-dimensional box structures with maximization of natural frequencies

Based on the growth mechanism of natural biological branching systems and inspiration from the morphology of plant root tips, a bionic design method called Improved Adaptive Growth Method (IAGM) has been proposed in the authors’ previous research and successfully applied to the reinforcement optimization of three-dimensional box structures with respect to natural frequencies. However, as a kind of ground structure methods, the final layout patterns of stiffeners obtained by using the IAGM are highly subjected to their ground structures, which restricts the optimization effect and freedom to further improve the dynamic performance of structures. To solve this problem, a novel post-processing geometry and size optimization approach is proposed in this article. This method takes the former layout optimization result as start, and iteratively finds the optimal layout angles, locations, and lengths of stiffeners with a few design variables by optimizing the positions of some specific node lines called active node lines. At the same time, thicknesses of stiffeners are also optimized to further improve natural frequencies of three-dimensional box structures. Using this method, stiffeners can be successfully separated from their ground structures and further effectively improve natural frequencies of three-dimensional box structures with less material consumption. Typical numerical examples are illustrated to validate the effectiveness and advantages of the suggested method.