流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

飞机机翼结构型式的拓扑优化

<正>在形状优化和尺寸优化已经相当成熟的今天,对于结构的设计已经很局限了,随着拓扑优化的发展,设计师可以从根本上改变结构设计,更大程度地减轻结构重量,在飞机结构设计方面,可以很好地帮助飞机设计人员定量设计寻找机翼结构布局。拓扑优化在近20年里逐渐成为学术与工程领域的研究热点之一,从早期的离散体拓扑优化发展到连续体结构的拓扑优化,从简单的二维结构拓扑优化发展到更加复杂的三维连续体结构的拓扑优化,近几年已经广泛应用于汽     

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。     

优化设计技术在民机结构设计中的应用

基于HyperWorks结构优化设计软件,对某型民用飞机平尾后缘舱铰链支架进行优化设计,在给定的边界条件下通过拓扑优化技术寻找出在优化空间内的最体材料布局,介绍了优化设计技术在飞机结构设计技术中的应用,探讨拓扑优化、尺寸优化、形状优化在飞机结构件设计技术中的应用。     

基于拓扑与尺寸优化的飞机发动机支撑架轻量化设计

为了提高飞机结构性能,实现为机身结构减重的设计目的,通过拓扑和尺寸优化对飞机发动机支撑架结构进行轻量化设计。在新结构的基础上,以各管件外径为自变量,以结构的最大变形为约束,以体积最小为优化目标,利用遗传算法获得结构的最优尺寸。综合对比优化前和优化后的结构,结果显示通过拓扑与尺寸优化得到的结构有更好的力学性能和更轻的结构重量。     

拓扑优化在机载计算机结构设计中的应用

为了解决机载计算机零件结构设计过程中出现的材料分布不合理及重量要求苛刻等问题，在设计过程中引入拓扑优化。介绍了基于变密度法的拓扑优化理论，以Hyperworks／Optistruct为拓扑优化分析平台，对某机载计算机零件进行了拓扑优化，确定了零件的最佳材料分布。结果表明：通过优化设计可以在保持零件基本结构性能的基础上减轻其重量。     

基于双曲正弦函数的拓扑优化在热传导结构设计中的应用

电子设备的热传导结构设计是解决飞机电子设备热防护问题的有效方法,基于经验的传统设计方法存在设计周期长,获得的结果性能并不一定优等问题,因此将拓扑优化应用在飞机电子设备散热设计中,能够快速获取较优的结构布局。建立基于双曲正弦函数(sinh函数)插值模型的热传导拓扑优化数学模型,将该模 型的算法应用于二维、三维热传导算例,并通过 MATLAB编程进行算法实现;该模型与SIMP模型和RAMP模型进行对比,并应用于机载 LRM 模块导热拓扑优化设计。结果表明：基于sinh函数的插值模型较 SIMP插值模型精确,较RAMP插值模型的迭代次数少,能更好地解决热传导结构拓扑优化设计问题。     

等强度三维空心叶片的内部拓扑结构

以ANSYS软件为平台,基于双向渐进结构优化法对所提出的等强度风扇叶片的内部结构形式进行探索性研究,在对叶片内部结构进行拓扑优化的过程中提出了中面应力基准法,简化了优化模型,同时有针对性的解决了双向渐进结构优化法在应用中的一些技术问题,实现了等强度风扇叶片内部结构的优化,获得了内部结构的拓扑形式.所得结果可为发动机轻量化设计提供参考.      

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。      

程耿东 著名工程力学、计算力学专家

<正>请谈一下你研究工作的主要方向和近期的研究重点。程耿东:我的主要研究工作是结构分析和结构优化,特别是结构拓扑优化。近期的研究集中在材料和结构的轻量化设计理论和方法。结构的轻量化设计对于降低产品生产和使用成本、减少长期服役能耗、提高产品性能都具有重要的意义,随着能源与资源的短缺及竞争的加剧,轻量化设计将受到更多的关注。对于航空结构,轻量化则是永恒的主题。     

基于模拟退火遗传算法的平面连续体结构的拓扑优化

采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,通过改变基因代码实现连续结构的拓扑。优化过程中,利用遗传算法进行结构优化,通过有限元技术对结构进行建模和分析。在遗传算法中,引入模拟退火的思想,实时调整结构优化的适应度函数,改善优化分析中个体所处的生存环境,提高优化分析效率,获得较优的结构拓扑效果。算例分析表明所提出的方法是有效的。      

基于精英保留遗传算法的连续结构多约束拓扑优化

采用遗传算法对应力、位移及结构约束下的连续体结构进行拓扑优化。通过在遗传算法中引入精英保留的进化策略,保证算法的收敛性,改善优化结果。优化过程中,利用精英保留遗传算法进行结构优化,通过基于ANSYS软件的有限元技术进行结构的建模和分析。算例分析表明所提出的方法是合理、有效的。该方法可用于复杂工程结构的初始设计,并能够提供多种初始设计方案。      

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。     

现代形状优化技术在航空发动机零部件设计中的应用

技术回顾 随着计算机辅助技术与数值分析技术的发展,现代结构优化设计方法在飞行器结构设计中的应用日新月异.从20世纪五六十年代开始,面向飞行器结构特征、研制过程和设计理念,先后发展出了尺寸参数优化、形状优化和拓扑优化多种结构优化设计模式.其中,形状优化是一类通过设计结构的几何外形(如结构轮廓、开口、孔洞、倒圆等)来改善结构力学性能的重要技术手段[1-2].     

拓扑优化方法在航空用钣金零件设计中的应用

为了满足航空产品高载重量及低耗油率的要求,采用拓扑优化技术对航空用钣金零件进行结构优化,实现了钣金零件强度高和重量轻的指标.案例分析表明,在航空用钣金零件初始设计阶段引入拓扑优化方法,会比设计过程中单纯使用结构尺寸优化和形状优化获得更大的经济效益.     

压力载荷下的结构拓扑-形状协同优化

 压力载荷作用下的结构轻量化设计是工程中的常见问题,由于压力加载面的可设计性,现有以固定载荷为基础的拓扑优化技术不能很好地处理这类问题。直接采用CAD参数化样条或B样条曲线描述压力加载面,通过拓扑和形状变量的联合优化满足了工程实际对结构轻量化与边界的功能性与光滑性设计要求。同时,为了避免结构边界形状变化时有限元网格刷新引起的定义拓扑伪密度变量的困难,用所提出的背景网格和密度点技术实现了每一步单元密度设计迭代结果的自动传递,并采用网格变形技术实现了形状设计变量灵敏度分析。采用4个数值算例验证了方法的有效性,其中发动机承力框架的设计结果充分说明该方法在航空结构设计中的重要应用价值。     

基于蚁群算法的机头结构二级布局优化方法

针对民机机头结构布局设计的拓扑变量与尺寸优化变量共存的混合变量设计问题,改进一般的蚁群算法,提出多城市层的蚁群算法转移概率准则,建立基于蚁群算法拓扑优化及准则法尺寸优化设计的二级结构布局优化法,第一级针对离散设计变量,采用蚁群算法确定结构的拓扑布局;第二级针对连续设计变量,基于准则法完成结构在前一级布局下的尺寸优化设计。优化设计结果表明：在满足强度和刚度约束下,相较于初始结构,杆件结构总重量减轻32%,且较常规尺寸优化效果更好。     

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。     

优化驱动的起落架结构设计方法

起落架结构是飞机上最复杂最重要的结构之一,传统的设计方法依靠人工经验反复迭代,没有充分利用结构优化技术,具有设计周期长且不能最大限度得到最优设计的缺点。根据结构优化技术的发展,提出了优化驱动的起落架结构设计方法,实现了优化驱动的设计方法在起落架领域的完整工程应用。结构优化技术作为整个设计流程的驱动者,在其中发挥贯穿全程的主体作用,根据不同设计阶段的需求,先后运用拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术。以某型飞机前起落架外筒的设计为例可以发现,相比传统设计方法,新方法在相同的设计约束条件下,能更快得到设计方案,结构质量减少了24.1%,实现了起落架结构的快速设计和轻量化设计。