桁架结构拓扑优化系统软件开发及其在大型天线安装桁架设计中的应用

针对大型复杂桁架式承力结构的构型设计和优化问题,基于桁架结构拓扑优化的半定规划模型及算法,以MatLab为平台设计开发了桁架结构拓扑优化系统(TODOSST)软件。首先以柔度最小化问题为例给出了桁架拓扑优化的半定规划模型,通过不同目标和约束的组合构造了优化模型库;然后在MatLab环境下完成了软件的框架设计和功能模块开发;最后将软件应用于大型天线安装桁架的构型优化。结果显示:使用TODOSST软件得到的优化设计方案能够显著减小结构质量,提高结构静/动态刚度,降低内部节点弯矩水平。优化结果对工程结构设计具有重要的参考价值,同时也验证了TODOSST软件应用于桁架结构构型设计的实用性和有效性。     

基于准则法的阻尼结构拓扑优化

针对阻尼结构设计,利用拓扑优化技术研究了阻尼结构模态损耗因子最大化设计问题。采用 密度法（Pseudo\|density Method）和材料属性合理近似模型（Rational Approximation of Material Properties, RAMP）建立了以阻尼材料用量为约束条件、模态损耗因子最大化 的阻尼板结构拓扑优化数学模型,并进行了灵敏度分析;利用优化准则法（Optimality
criteria, OC）,给出了阻尼结构拓扑优化设计方法和流程,得到了在一定阻尼材料用量下 阻尼板结构的模态损耗因子最大的阻尼材料最优分布构形。相关算例结果表明该方法适合于 阻尼结构的优化设计或轻量化设计。
     

大型航天器桁架式主承力结构构型拓扑优化研究

针对桁架结构和拓扑优化的特点,提出了一种连续体-离散体两级拓扑优化策略。应用该策略对大型航天器桁架式主承力结构的构型进行了优化设计。首先,使用HyperWorks软件对桁架结构的设计空间进行了有限元建模,应用连续体结构拓扑优化方法,得出了五传力点和七传力点两种准桁架结构形式,并提炼出与之对应的桁架结构;然后,对所得桁架结构进行拓展,并应用桁架式结构拓扑设计优化系统(TODOSST)对拓展后的桁架基结构进行了离散体结构拓扑优化,得到了五传力点和七传力点两种桁架方案。经对比,七传力点桁架构型方案在基频拓展性、设备预留空间可用性等方面均有比较明显的优势,可作为后续设计的基础。文章应用连续体-离散体两级拓扑优化策略,得到了满足基本设计要求的桁架结构基本构型,可为详细结构设计提供参考;所用优化策略也可为同类桁架结构设计提供借鉴。     

卫星肼瓶系统减振优化设计

由于布局和安装条件的限制,某卫星肼瓶支架采用了“十”字型截面设计,这导致在发射过程中某方向肼瓶振动幅度过大,发生较大变形甚至断裂破坏。为减小肼瓶系统的过度振动,采用结构优化方法进行了减振动力学设计。考虑以下方案:1)固有频率约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;2)频率响应约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;3)以频率响应极小化为目标函数的肼瓶系统尺寸优化;4)频率响应约束下阻尼材料拓扑布局优化,以肼瓶系统重量为目标函数。对优化模型1)~3)进行直接线性化处理,采用序列二次规划方法求解。在阻尼材料拓扑布局优化中,采用了作者提出的基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则。综合比较上述方案优化效果,阻尼拓扑布局优化设计的减振效果是最佳的。文中对动力响应优化设计问题的优化模型选取也进行了探讨。     

火箭弹折叠翼展开过程的计算与试验研究

折叠翼以其结构简单、占用空间小的特点,在导弹武器中得到了越来越多的应用.文章以某型旋转火箭弹的设计为例,通过计算和试验对比的方式研究了其纵向折叠式尾翼的展开过程.结果表明,计算结果和试验结果的吻合度较好,计算模型准确反映了该型折叠翼的展开过程,且该型火箭弹的折叠翼展开同步性较好.     

卫星结构的拓扑优化与灵敏度分析

在已知某卫星主承力结构的空间大小、约束及载荷条件的情况下，通过对一连续体进行拓扑优化得出主承力结构的最优结构形式。并在此基础上对卫星上十五个结构参数进行了灵敏度分析和尺寸优化，计算结果证明由连续体通过拓扑优化得到桁架结构的最优拓扑是可行的，若再结合灵敏度分析及尺寸优化，可以大幅度减轻卫星结构重量，改善卫星结构的动力特性。     

基于等几何分析的板壳结构形状-拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状-拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤,在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制,极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性,结果表明,与经典等几何拓扑优化方法相比,可得到更高性能的优化结构,有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。     

六自由度振动台台体结构优化设计研究

在应用六自由度振动台进行高频振动测试试验时,若台体结构被激发产生共振,则会影响测试结果的准确性。为保证台体的共振频率在工作频带之外,同时使台体重量更轻,文章提出基于二级多点逼近算法的六自由度振动台台体结构优化方法。首先建立台体结构的有限元模型,并根据实际应用工况确定台体连接面法向位移约束的边界条件,以壳、梁单元的截面尺寸和外形半径大小为设计变量,建立以台体结构一阶固有频率和静强度为约束、质量最小为目标的模型。然后,利用二级多点逼近算法对模型进行尺寸优化,并以人机交互的方式实现外形半径的优化,得到满足约束条件的优化解。最后依据优化结果设计与制造出台体结构,并完成台体样机。该台体结构实现了轻量化设计要求并应用于振动试验,验证了该结构优化方法的有效性。     

火箭弹卷弧尾翼结构优化设计

为使火箭弹卷弧尾翼在承受特定气动载荷情况下的自身结构质量最小,对其进行了结构优化设计.以包括尾翼弦长、厚度、前缘后掠角等在内的6个几何参数作为设计变量,对应的强度和变形量为约束,以有限元法为分析工具,以非线性规划为搜索算法在整个设计空间里进行优化计算,取得了较好结果,卷弧翼减重效果明显.随后对优化结果进行权重分析,得到了对优化目标和约束影响较大的设计变量,分别是卷弧的圆心角和翼片厚度.最后,讨论了包括气动优化在内的进一步研究方向.     

旋转惯性过载作用下结构拓扑优化设计研究

为实现再入体结构轻量化设计,开展了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计技术研究。本文利用灵敏度“逻辑与“综合方式的多工况结构拓扑优化设计方法,结合惯性载荷作用下拓扑灵敏度分析,研究了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计。针对锥筒形支架结构,以整体刚度最大化为目标函数,材料用量为约束条件,进行了结构拓扑优化设计,得到了合理的优化构形。