张卫红著名航空结构计算力学与优化设计专家

M:作为中法并行工程联合实验室的学术带头人,请介绍一下您所从事的应用计算力学与多准则优化设计技术实施航空航天制造工程学科的CAD/CAE/CAM三位一体的并行工程研究的特点以及进展情况.     

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。     

噪声振动环境中的仪器设备损伤研究

对噪声振动环境下的仪器电路板损伤进行了研究,以解释高噪声环境下某机箱电路板引脚断裂机理。应用噪声激励下激光测振技术、声传递试验方法、有限元分析动态响应分析技术,给出了元器件管脚动态应力分布,并根据S-N曲线对结构的寿命进行评估分析,理论分析所得出的失效模式及寿命时间和试验情况基本吻合。本文所探索的噪声激励下的电路板应力分析及寿命评估技术可以用来评估力学环境造成的仪器损伤,拓展了仪器可靠性评估途径,具有较高的工程应用价值和借鉴意义。     

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].     

基于BOSS平台的热力耦合场涡轮盘优化设计

在考虑涡轮盘工作条件下受热及叶片和榫块离心力的基础上,利用ANSYS对某航空发动机高压涡轮盘轴对称模型进行了有限元分析,并利用BOSS优化平台对其进行了结构形状优化.结果表明,通过优化能减轻涡轮盘重量,降低涡轮盘的最大等效应力;设计结果能满足强度要求.     

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。     

轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。     

薄壁件周铣过程中材料去除效应的快速仿真

 针对薄壁件铣削过程加工误差预测,建立了一种快速有效的材料去除仿真模型,即利用工件的原始有限元网格模型,直接使用径向切削量的名义值进行材料去除效应模拟,将被切除网格单元的单元刚度按被切除体积与该单元初始体积的百分率等效修正。该模型既无需进行工件网格重划,又可以很好地保证仿真精度,极大地简化了处理流程,提高了计算效率。应用实例的计算结果和试验结果比较,表明了该模型的有效性和实用性。     

全流量补燃循环液氧甲烷发动机推力调节方案研究

无毒、无污染的大推力可重复使用液氧甲烷发动机成为研究热潮,以200 t级全流量补燃循环液氧甲烷发动机为研究对象,结合真实气体效应下涡轮绝热功模型和低温冷却套模型,对比分析了发动机多种调节元件设置方案,结果表明富氧发生器、富燃发生器副路调节元件分别设置为调节器和节流阀时,发动机推力和混合比耦合程度相对较低,利于单一工况参数的调节。在此系统方案基础上,通过仿真对比分析,选择出了最佳推力调节方案。     

拓扑优化设计中刚度与密度关系的一种力学模型

为了探讨变密度法中伪密度的变化对材料刚度的影响,并建立两者之间的力学关系,本文采用有限元法研究这一问题。提出利用"实心"与"空心"两种八节点体单元来构建"微元体"模型,通过各种比例的"实心"和"空心"体单元的均匀组合,来模拟伪密度数值的变化过程。理论分析与推导表明:确定"微元体"的刚度时,本模型不仅与加载和约束形式无关,而且与"微元体"的形状亦无关。通过数值试验,可以给出这种模型的刚度与伪密度的离散数值关系;最后,利用幂指函数获得其解析关系。计算结果发现一个十分有趣的现象:刚度与伪密度不遵循人为给出的幂函数关系。