基于Inspire软件的操纵支座结构优化设计

操纵支座是机尾翼后缘部段一个承力和传力的关键元件,主要作用是为操纵面作动器提供固定支持,并将作动器的作动载荷传递给机尾翼盒段。作为承受集中高强度载荷的零件,应满足强度和耐疲劳等要求,同时追求轻重量目标。基于SIMP插值拓扑优化模型,以结构总柔顺度最小化为优化目标,运用Inspire软件对操纵支座结构进行拓扑优化,获取操纵支座最佳结构形式和截面参数,并通过有限元分析,结果表明操纵支座满足静强度和疲劳强度要求,结构实现减重约40%。     

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析

针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计。机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化。拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析。采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性。     

基于参数化模型和遗传算法的复合材料加筋壁板结构选型优化研究

针对复合材料加筋壁板的结构优化选型问题,采用辅助层压板和添加极小弹性模量材料的复合材料加筋壁板有限元建模方法,应用PATRAN/NASTRAN的参数化建模功能和遗传算法相结合的复合材料加筋壁板的优化方法,对5种复合材料结构形式进行了从2000N/mm到6000N/mm压缩载荷下的结构优化分析。结果表明,当载荷小于4500N/mm时,最有效的加筋壁板结构型式为J型;当压缩载荷大于4500N/mm时,最有效的加筋壁板结构型式为I型。     

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。     

飞行器翼面结构型式的确定

飞行器翼面结构型式的选择是结构方案设计阶段的重要内容之一。通过相关参数的统计分析和布局优化设计可以确定翼面结构型式。随着计算技术和拓扑优化技术的发展,结构设计的智能化和自动化水平将不断提高,结构型式的确定将更多地依赖布局优化的结果。     

拓扑优化技术在几何非线性结构刚度设计中的应用

论述了大变形结构的拓扑优化技术。用拉格郎日有限元方法模拟结构的几何非线性特性，用牛顿－辛甫生迭代算法求解平衡方程；用伴随算法计算了目标函数的灵敏度，并且用活动渐近线的方法解决了优化技术问题。为了获得自由方格和独立网格设计而采用了过滤算法；为使计算收敛而采用了连续算法。文中采用了不同的目标函数。对于固定载荷的最小柔度法会导致柔度退化拓扑结构，这些拓扑结构对较小或较大载荷都无效。得到只支持设计载荷退化的“优化”拓扑结构存在的问题要比获得结构线性响应存在的问题更明显。通过优化多载荷条件下的结构或通过最小化辅助弹性功可避免这些问题的出现。列举的例子表明采用线性和非线性模拟方法所得到优化结构的刚度差异基本上很小，但是，在考虑屈曲影响和快速穿透影响等情况时，不同之处却很大。     

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。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统...     

基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计

基于Optistruct平台,研究了二维平面薄板及三维结构的静力、动力以及静动力联合的拓扑优化,给出了典型结构的算例,对比了优化参数取值不同时所对应的优化结果,探讨了优化过程中的网格依赖性以及拓扑优化的效率等问题.     

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。      

多工况下复合材料层合板开口补强优化设计

复合材料层合板广泛应用于航空航天结构,其开口补强问题一直备受关注。以含大开口的复合材料层合板为研究对象,针对拉伸、剪切、压缩三种不同工况,分别采用不同材料和不同补强型式进行补强结构优化设计。以补强结构重量为目标函数,采用多级优化方法,对补强结构参数进行优化设计。对不同补强型式,不同补强材料下的重量特性进行对比分析。结果表明：在不同工况下,相较于螺接补强和共固化补强,插层补强型式较优,结构重量增加较小。     

机翼结构型式和选型参数的统计分析

机翼结构的型式取决于机翼的平面形状、相对厚度、翼载荷、开口等诸多因素.本文对现有飞机机翼结构型式和相关参数进行统计分析,寻找它们之间可能存在的内在关系,得到了相对厚度与最大飞行速度的经验公式,以及不同机翼结构型式的相对厚度和相对载荷的取值范围.并对结构选型的其他因素进行了简单的探讨.这些统计结果为现代飞机机翼结构选型提...     

航空发动机短舱泄压门冲击载荷结构拓扑优化技术研究

部分航空发动机零部件的工作载荷类型属于冲击载荷,采用静力学强度判定准则无法证明其设计符合性,导致无法采用静力学载荷对其进行结构优化,需要建立基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法.以航空发动机泄压门铰链为研究对象,通过结构冲击动力学载荷拓扑优化技术研究,建立短舱腔压导致的泄压门弹开载荷作用下拓扑优化方法,提高泄...     

并联式TBCC单边膨胀组合喷管安装及结构设计研究

针对单边膨胀组合喷管（Single expansion ramp nozzle，SERN）不规则几何结构设计难题，以提高SERN结构刚度、强度为目标，从安装布局方案以及承力结构拓扑优化两个方面开展设计工作，分析了不同位置安装节点对载荷分布、关键位置变形的影响，基于拓扑优化方法，建立了SERN部件级结构概念设计方法和流程，实现了SERN的结构设计。研究结果表明：新增辅助侧拉杆能减小关键位置的变形，同时往左上方移动侧拉杆、右上方移动辅助安装节以及左下方移动主安装节有利于关键位置变形控制和各安装节点载荷的合理分布；优化后的安装方案相比初步安装方案，最大关键位置变形下降了83%，主安装节最大载荷下降了35%，辅助安装节最大载荷下降了55%。设计的SERN结构随TBCC发动机完成了高马赫数模态转换试验，试验后结构状态良好，验证了设计的合理性。     

民机典型连接结构优化设计

介绍了拓扑优化和尺寸优化的特点,给出了飞机结构优化设计的方法和流程。选取民机吊挂典型连接结构为研究案例,建立了相应的有限元模型及优化模型,采用拓扑优化与尺寸二级优化的方法,完成了典型结构在多种民机载荷工况下的结构优化设计分析,优化结构达到了预期的目标,通过分析,阐明了该优化设计方法的可行性。     

低惯量涡轮转子结构设计与优化

论述了低惯量涡轮转子结构设计的特点和要求。在发动机载荷条件下,开展了带双辐板涡轮盘的低惯量涡轮转子结构设计研究。特别是针对双辐板涡轮盘结构及其连接结构的设计特点,进行了经验设计、结构拓扑优化和形状优化。对优化得到的两种双辐板涡轮盘结构形式进行了对比分析,并对焊接的双辐板涡轮盘结构的制造工艺进行了简要分析。结果表明,低惯量涡轮转子采用双辐板涡轮盘结构可行,能有效减轻涡轮盘质量,降低转子热惯性和机械惯性。     

民用飞机登机门铰链臂结构优化设计方法研究

民用飞机登机门为了满足应急逃生需求,舱门开关需平稳,不能出现明显晃动。登机门铰链臂作为舱门开关过程中的重要连接结构,刚度要求很高,同时作为多个机构的连接界面,载荷工况种类繁多。针对登机门铰链臂结构的设计,提出了较为全面的设计优化流程方法,包含设计空间的定义、载荷及约束、几何重构步骤和强度校核。结合工程经验、拓扑优化以及厚度尺寸优化,能在少量的设计迭代次数下确定铰链臂的外形及尺寸,减少了铰链臂设计周期,实现铰链臂的轻量化设计,同时结构满足强度、刚度、功能性的要求。对于设计中的关键参数的定义和设置,结合工程经验给出建议,形成的通用方法可以推广至多功能,高刚度要求结构,为类似结构的设计提供了参考模板。     

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。     

三种增强复合材料层合板抗屈曲优化分析

基于单向轴压、压剪复合以及纯剪三种栽荷形式,对各向同性均质板进行拓扑优化分析,得到了相应的传力路径,即对应载荷条件下的材料分布;针对三种增强复合材料层合板:常规夹芯板、单向加筋板和非常规网格加筋板,运用MSC.Nastran语言,编写抗屈曲优化代码,采用大量有限元优化算例,求解了上述增强复合材料层合板在给定载荷条件下最优的抗屈曲结构效率,对比分析得出四种载荷形式下的最优增强形式,为飞机壁板类结构选型设计提供参考.     

航空发动机空气管路应力优化设计

针对航空发动机空气管路系统受载应力及应变过大的问题,对该系统进行3维全尺寸弹塑性分析,讨论了载荷加载过程对应力应变的影响;对应力较大部位采用结构分解方法建立优化模型,进行管路部件应力优化,获得三通结构尺寸优化结果;利用参数灵敏度分析结果选择合适的设计变量,建立系统管线优化模型,补偿热-位移载荷产生的附加应力。优化结果显示,最大总应力降低5.49%,附加载荷应力降低12.28%。验证了方法的有效性。