大型复合材料结构优化设计方法研究

建立了适合于大型复合材料结构的优化设计方法，该方法在复合材料结构有限元分析的基础上对复合材料结构进行优化设计。在建立有限元模型时应用了区域划分技术，然后对结构分两级进行优化：第一级是对结构的铺层角度进行优化。第二级对结构的铺层厚度进行优化。最后，以工字梁结构为例，进行了算法验证。     

共固化粘弹性复合材料的结构多目标进化优化设计

共固化粘弹性复合材料结构兼具结构承载和阻尼减振能力,设计时需同时考虑强度、刚度、质量和阻尼性能等指标要求,且设计变量众多,因此传统的设计方法难以实现结构的优化设计。本文建立了共固化粘弹性复合材料结构的多目标优化模型,优化目标为结构质量最小化和模态损耗因子最大化,设计变量包括铺层厚度、方向角和阻尼层厚度,并考虑结构动刚度的约束条件。阻尼结构的分析采用基于有限元法的模态应变能法,进化优化采用改进的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II)。最后的优化算例表明将多目标遗传算法应用于共固化粘弹性复合材料结构阻尼/结构一体化设计的可行性。     

基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化

固体运载火箭设计属于典型的多学科设计问题,为提高同体运载火箭设计水平和缩短研制周期,提出了基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化方法.建立了固体运载火箭多学科系统分析模型,以卫星轨道设计计算得到的运载火箭关机点参数和最小火箭起飞质量为设计准则.采用物理规划方法构造系统级火箭总体设计优化模型,以发动机总体性能指标为设计准则,采用物理规划方法构造子系统级发动机设计优化模型.通过系统级总体设计优化和并行的子系统级发动机设计优化的嵌套循环,得到满足火箭运载能力的各级固体发动机最优设计结果,即得到内外弹道相匹配的发动机最优推力-时间曲线.     

复合材料桁架式机架设计方案

为进一步降低某上面级发动机机架结构质量,对其高强度钢的桁架式机架开展了以复合材料替代金属的设计方案研究。通过对原金属桁架式机架力学设计特性分析,在保持原结构对接参数及外形尺寸不变的情况下,提出了一种碳纤维/环氧树脂复合材料机架的设计方案,并重点对杆件结构进行详细设计及影响参数分析。首先,采用基于Matlab软件的遗传算法优化工具箱对杆件截面尺寸及纤维缠绕角度优化,然后对接头结构进行设计,并组装成复合材料整体机架,对强度、刚度及稳定性等参数分析及校核。研究结果表明:新设计复合材料机架在满足原机架基本设计要求基础上,相对于原机架实现了40%以上的减重。研究方法可为复合材料桁架结构设计研究提供借鉴。     

复合材料格栅圆柱结构优化设计

复合材料格栅圆柱结构是由连续纤维缠绕的斜向和环向肋组成的结构.介绍了一种轴压作用下复合材料格栅圆柱结构的设计方法,该模型是在满足格栅结构整体屈曲要求、斜向肋承受压缩强度要求以及2个交叉点间肋段的局部屈曲3个约束条件的情况下,通过引入格栅结构整体屈曲、局部屈曲及压缩强度安全系数,并经过对数学模型的变换处理,使得格栅结构的结构重量最小,得到格栅结构的设计参数.该方法在格栅结构的设计与优化中非常有效.     

过程集成与设计优化技术在碳纤维增强树脂材料设计中的应用

研究过程集成与设计优化(PIDO)技术在复合材料设计中的应用。以航空器领域上广泛应用的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)为例,开展结构刚度优化设计。根据复合材料中层压板分布特性,以结构固有频率最大为优化目标,通过选择层压板各单层厚度和铺设角度,使用有限元方法模拟铺设角度变化并输出结果,采用优化算法对结果进行判定,得到结构刚度的优化结果。对比两种不同的PIDO优化过程,提出一种结果更优的优化策略——该策略在提高结构刚度的同时,兼顾轻量化,可为优化设计提供更多思路。     

反折式二元超声速进气道研究

X-51A采用带两级压缩楔面的反折式进气道设计方案,这是一体化权衡设计的结果,要求进气道设计综合各方面因素进行多目标优化。从发动机设计角度出发对类似于X-51A的反折式二元进气道进行了研究,合理选择了进气道的设计变量并运用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对带两级压缩楔面的反折式二元进气道按总压恢复系数、流量系数及出口马赫数三个目标函数进行了多目标优化设计,计算中性能指标参数评估基于Euler方程求解得到。通过优化计算得到了带两级压缩楔面的反折式进气道相关性能指标参数最优变化关系及结构方案,可为后续进气道与飞行器一体化权衡提供设计参考。     

卫星用网格状复合材料承力筒结构优化设计

基于MSC.NASTRAN通用结构分析软件用有限元法对某卫星平台轻量化设计进行了研究.主承力结构选用新型网格状复合材料承力筒结构,优化目标为结构质量最轻.在结构强度、刚度和稳定性,满足卫星平台使用要求的约束条件下,讨论了承力筒的网格交角、网格数、网格截面尺寸与蒙皮厚度、铺层方式,以及材料选择等优化变量的确定.对根据优化...     

基于HyperWorks的折叠翼结构优化设计

基于HyperWorks商业软件,利用连续体拓扑优化技术对某折叠翼结构进行结构设计。该设计问题以折叠翼翼梢部分的单元相对密度和蒙皮厚度作为设计变量,以结构应变能最小作为结构优化目标,包含质量约束和单元应力约束。根据通过拓扑优化得到的最优结构拓扑形式重新进行建模和分析,得到满足刚度和强度要求的折叠翼结构。     

桁架式集成天线塔优化设计

针对某卫星平台桁架式集成天线塔结构的优化设计,采用了一种先构型优化,再尺寸优化的方法.首先使用Midas软件进行了有限元建模,应用满应力优化和基结构法得到了兼顾重量、基频、拉拔力、结构对称性及安装空间的综合最优构型.其次,在构型优化结果的基础上,通过Isight软件集成MSC.Patran/Nastran软件,选用多岛遗传优化算法,分析得到了最轻质量杆件截面方案.该方案可以同时满足空间X、Y、Z三个方向正弦响应荷载工况的强度、刚度等要求,质量较优化前降低.优化结果表明,该方法能够得到满足设计要求的方案,可以应用于桁架结构的优化设计.     

脉冲发动机复合壳体的强度分析及优化设计

采用ANSYS有限元软件对脉冲发动机复合壳体进行了结构强度分析和优化设计。用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化；给出了复合壳体在临界压力载荷下的失效模式；分别在两种材料层中对最大应力约束下，以减少复合壳体的总质量为目标，对复合壳体的壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化，并对设计变量的敏感度进行了分析。计算结果表明，在工作压力载荷下，安装在轨姿控舱体内的脉冲发动机的强度可以满足设计要求；壁厚尺寸是关键的优化设计变量，优化后脉冲发动机复合壳体的总质量可减轻5．7％。理论分析结果与试验结果相吻合。     

交会对接载人飞船返回舱结构优化设计

为减轻飞船返回舱结构重量、使结构形式更为合理,对返回舱主要部件进行了结构优化设计。在不降低结构可靠性、满足与其他设备接口匹配性等4项优化原则的基础上,合理选取优化对象,确定了优化目的和约束条件,并以前端框、滚动发动机舱和贮箱隔舱3个主要部件为例分别进行阐述。通过优化设计,3个主要部件的结构重量减轻了0.25～10kg,...     

基于遗传算法和序列二次规划法的结构稳健性优化设计方法

针对目前结构优化设计方法未考虑参数随机性的问题,提出基于遗传算法和序列二次规划法的结构稳健性优化设计方法。将结构产品的质量特性作为优化目标,性能函数的可靠度指标作为约束条件,建立稳健性优化设计模型。利用序列二次规划法计算其性能函数的可靠度指标,在此基础上,利用遗传算法进行迭代计算,得出最优设计结果。最后,将某型导引头导轨齿轮设计作为工程案例,验证了使用此结构稳健性优化设计方法能够降低产品重量,提高结构稳健性。     

基于PATRAN/NASTRAN的复合材料结构铺层的分级优化设计方法

提出了一种用于复合材料结构铺层分级优化设计的有效方法,探讨了在当前载荷和边界条件下应变能与铺层厚度和结构质量之间的关系。在PATRAN/NASTRAN的基础上,采用直接搜索法与正交试验法相结合的优化方法,建立了一套实用的优化系统。该系统可适用于对称/非对称层合板、蜂窝夹层结构及多部件组合结构等多种结构类型;可解决多约束问题,约束条件考虑了应力、应变、最大位移、固有频率及结构屈曲失稳等多种因素。通过典型算例及工程应用,证明该系统能够取得优于其它同类算法的优化结果。     

光学遥感卫星总体参数优化设计概念研究

结合传统卫星总体设计和现代优化设计方法 ,提出卫星总体优化设计流程。首先明确任务目标和任务要求 ,然后用模糊多目标优选方法进行总体方案类型优选 ,最后确定了卫星总体参数优化设计的设计变量、约束条件和目标函数 ,并且建立起成本、性能、费效比、可靠性和多目标的优化模型。最后 ,对四个单目标优化和多目标优化的结果进行了比较     

复合材料结构可靠性分析与设计

本文根据复合材料结构可靠性分析的特点提出复合材料结构的基本元件层压板的可靠性分析的方法。在此基础上将常规的优化设计发展为在可靠性基础上的优化设计并提出在板层压可靠性基础上铺层优化设计的方法。最后提出复合材料结构系统可靠性分析方法和确认主要破坏模式的方法。     

带有控制变量变化率约束的伪谱轨迹优化方法

基于伪谱法提出一种能够求解带有控制变量变化率约束的轨迹优化方法。首先,应用伪谱法将轨迹优化转化为非线性规划;其次,引入有限差分法将控制量变化率约束转化为相邻离散点处控制量的线性约束;然后,应用非线性规划算法求解带有线性约束的非线性规划;最后,采用带有控制量变化率约束的轨迹优化问题对方法进行了验证。仿真结果表明,此方法能够快速求解带有控制量变化率约束的轨迹优化问题,与引入控制量导数作为虚拟控制量的传统控制量变化率约束处理方法相比,此方法计算量更小,并且避免了虚拟控制量振荡问题,更容易收敛,综合效果是能够将优化耗时减少大约80%。