基于Patran/Nastran的结构优化系统的工程应用

采用基于有限元软件Patran/Nastran二次开发的结构优化系统,对两个卫星结构进行了以重量为目标、考虑基频和应力等约束的优化设计.系统由用户在Patran环境下完成问题建模,优化过程中调用Nastran作结构分析并结合二级多点逼近算法寻优.设计对象是由蜂窝夹层板、不同截面形状梁、板壳等组成的典型复杂航天器结构,设计过程中还利用人机交互技术,最终使重量明显降低,为工程部门改进设计提供了依据.算例结果之一与其他结构优化系统结果一致,进一步说明了所开发系统的正确性.     

航天器附件联动展开机构优化设计

根据航天器附件展开运动功能要求,对联动展开机构进行了尺度综合,确立了一组独立的设计参数,推导了满足收拢和展开状态下基板位置要求的联动展开机构数学模型,并建立了参数化的机构展开动力学仿真模型,以对附件展开运动功能及动力学特性进行分析和验证,从而实现了机构的参数化设计与分析.在此基础上,以展开全程所需的最大驱动力矩最小化为目标,以满足收拢状态整体结构尺寸包络为约束条件,建立了联动展开机构优化模型,根据该优化问题的非线性特征以及设计空间的不连续性,采用模拟退火算法进行优化求解,最终得到了机构的最优尺寸,从而达到了降低展开驱动力矩、改善机构动力学性能的目的.     

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.      

潜望式激光通信粗指向装置的多工况拓扑优化

激光通信技术具有广阔的应用前景。以潜望式激光通信粗指向装置为研究对象,提出了装置的等效有限元建模方法,建立了相应的有限元模型。分别针对发射阶段和在轨工作阶段2种工况,分析了加速度载荷和温度载荷对装置性能的影响。为了提升装置的工作性能,基于多工况拓扑优化方法,对装置的主体结构进行了优化设计。优化目标为装置在2种工况下的前三阶频率加权平均值最大、镜面中心在发射阶段的变形最小和镜面在在轨工作阶段的热变形面型误差最小,约束条件为装置的质量和左、右反射镜的响应差距。利用可行方向法完成优化迭代计算,优化后,装置在2种工况下的基频得到了提高,同时镜面的中心变形及面型误差得到了降低,装置的整体性能得到了明显提升。      

高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计

以热防护系统厚度方向几何尺寸为设计变量,热防护结构质量为优化目标函数,以航天器主结构温度极值为约束条件建立了优化模型。采用外部调用NASTRAN进行非线性瞬态有限元热分析,应用复合形法作为优化工具进行全局寻优。针对该问题结构几何形状是变量的特点,采用文件接口的方法实现了设计变量与有限元模型的关联以及有限元分析结果与优化工具的数据交换。     

对地观测卫星总体参数多学科优化

针对对地观测卫星总体参数设计问题,建立了以对地观测性能最佳为目标的多学科优化模型,考虑姿轨控制、电源、结构、推进、有效载荷5个分系统的设计变量和相应约束条件,并考虑运载火箭对卫星设计的约束条件,通过经验公式建立分析模型.采用协同优化方法,利用外点罚函数法将系统级优化问题转化为无约束优化问题以改善协同优化系统级的数值缺陷,建立了多学科设计优化框架.计算结果表明通过优化可提升卫星的对地观测性能,验证了该方法的合理性.建模思路与优化方法可望用于更贴合工程实际的卫星参数设计.      

混合遗传算法在气动弹性多学科优化中的应用

利用遗传/敏度混合优化算法对复合材料前掠翼飞机进行气动弹性剪裁设计研究.在满足强度、位移、升力效率、副翼效率、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下,以机翼复合材料蒙皮铺层的厚度为设计变量,对蒙皮进行重量最小化设计.研究表明,在飞机结构初步设计阶段单纯使用基于敏度的优化算法,很难满足设计上的要求;使用遗传/敏度混合优化算法可以取得较好的结果,该方法适用于飞机结构初步设计.还研究了偏轴角对优化重量的影响.分析结果显示,对于文中所研究的这类蒙皮使用由0°、90°和±45°纤维组成的铺层的复合材料前掠翼飞机,在满足多个约束条件的前提下,其优化重量对于偏轴角的变化相对不敏感.      

机翼结构有限元的快速建模及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了在OpenCADS(Open Conceptual Aircraft Design System)这一按照面向对象方式进行数据组织的计算机辅助飞机总体设计系统中进行飞机机翼结构有限元快速建模及自动化调整的措施.提出了采用梁单元和壳单元进行概念设计中机翼结构有限元的等效处理方法,定义了以翼肋为标定的结构有限元节点及各单元的编号规则,设计了相关的数据类组织与应用逻辑,以此为基础实现了机翼结构有限元模型的自动化调整,为概念设计阶段进行多学科设计优化奠定了基础.通过设计实例及其应用验证了方法的有效性和可靠性.      

基于μ分析的鲁棒特征结构配置飞行控制律设计

针对特征结构配置应用于飞行控制律设计鲁棒性较差的问题,提出了一种新的鲁棒特征结构配置方法.该方法结合参数化特征结构配置与μ分析,把鲁棒特征结构配置问题转化为包含系统全部自由参数的带约束条件的非线性优化问题.根据飞行控制律特点,提出分步优化策略解决鲁棒特征结构配置多变量优化问题,以降低问题复杂度,同时采用等值分布曲线直观描述优化指标随设计参数变化规律.该方法利用系统全部自由度提高系统鲁棒性,并对自由参数施加约束条件以保证标称闭环系统性能.仿真表明该方法能满足一级飞行品质要求,提高系统鲁棒性,减小保守性.     

基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化

针对民用飞机中广泛采用的双梁式机翼结构,以机翼结构纵向构件(长桁)和横向构件(翼肋)的数量为参数生成机翼CAD模型,然后基于Patran的PCL(Patran Command Language)语言,根据整体模型分割、局部模型编号、局部网格控制、整体有限元生成的思路,实现了以纵向和横向构件的数量变化为基础自动进行机翼结构有限元模型的构建及分析,并将上述流程集成到机翼结构的布局优化中.最后参照某大型民用飞机的机翼外形尺寸建立了CAD模型,以机翼的静强度、刚度和蒙皮稳定性为约束,以机翼结构质量最低为目标,对上、下蒙皮长桁和翼肋数量进行了优化.优化后的布局使机翼结构质量降低了10.1%,表明了布局优化方法的有效性和可行性.     

复合材料格栅结构优化设计中的计算智能技术

针对复合材料格栅结构优化设计多变量、多约束、连续和离散混合变量、高度非线性的难点,提出了用进化神经网络来实现结构设计参数(输入)与结构响应参数(输出)的全局非线性映射关系,以此来代替优化过程中的有限元计算,以提高优化效率.以遗传算法为优化求解器,神经网络屈曲稳定性响应面为主要约束,对复合材料格栅加筋结构进行优化.结果表明,在相同样本数的情况下,进化神经网络可获得比BP网络更高精度的映射模型,具有很强的泛化能力.该方法可以为解决大型复合材料结构优化问题提供一条高效途径.      

T型尾翼动气动弹性优化设计

T型尾翼构型复杂,操纵面多,在动气动弹性的有限元建模和颤振特性设计中,需要修改的参数多,颤振分析复杂,设计人员面临很大的困难.通过在设计过程中引入优化方法,能够有效的解决这些问题.依据遗传算法和敏度优化算法的特点,针对固有振动和颤振优化设计的不同要求,将两种优化方法进行混合和递进应用,形成不同的优化设计方法.建立固有振动频率和颤振阻尼对结构参数的敏度公式,设计两种不同优化问题的数学模型.将优化方法应用于某T型尾翼的结构动力学优化设计,提高了设计速度,保证了设计精度,固有振动频率误差保证在3%以内.在保证质量最小的要求下,使颤振速度得到提高,并为实际结构的设计提供一定指导.      

基于叶脉分枝结构的飞机盖板结构仿生设计

针对薄壁件的轻量化设计要求,在对王莲叶脉分枝结构形态和构型规律分析基础上,以飞机盖板原型为对象,应用结构仿生设计方法,对盖板内部的筋板分布形式进行结构仿生设计,利用ANSYS APDL参数化设计语言建立仿生型结构的参数化模型并进行筋板结构参数优化.有限元分析结果表明,相对于原型盖板,结构参数优化后的仿生型盖板质量减小,比强度结构效能有较大提高,静力学性能明显改善.     

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.     

A space radiation transport method development.

Improved spacecraft shield design requires early entry of radiation constraints into the design process to maximize performance and minimize costs. As a result, we have been investigating high-speed computational procedures to allow shield analysis from the preliminary design concepts to the final design. In particular, we will discuss the progress towards a full three-dimensional and computationally efficient deterministic code for which the current HZETRN evaluates the lowest-order asymptotic term. HZETRN is the first deterministic solution to the Boltzmann equation allowing field mapping within the International Space Station (ISS) in tens of minutes using standard finite element method (FEM) geometry common to engineering design practice enabling development of integrated multidisciplinary design optimization methods. A single ray trace in ISS FEM geometry requires 14 ms and severely limits application of Monte Carlo methods to such engineering models. A potential means of improving the Monte Carlo efficiency in coupling to spacecraft geometry is given in terms of re-configurable computing and could be utilized in the final design as verification of the deterministic method optimized design.     

载荷不确定的周期性结构稳健拓扑优化

提出了一种考虑周期性几何约束的结构稳健拓扑优化设计方法。针对线弹性体结构,提出了载荷不确定性条件下周期性结构稳健拓扑优化模型;推导了周期性结构柔度均值与方差的敏度数表达式,并基于软删双向渐进结构优化法提出了载荷不确定性条件下的周期性结构稳健拓扑优化设计方法。2个不同约束条件下的实例表明:本文提出的优化模型稳定性较好;考虑载荷不确定性得到的结构与确定性载荷下得到的结构有很大的区别,且稳健性优化设计得到的结构更加稳定。     

基于智能优化算法和有限元法的多线圈均匀磁场优化设计

针对多线圈均匀磁场优化设计中的高阶求导及优化结果可信度评估问题,提出一种基于智能优化算法和有限元法相结合的多线圈均匀磁场优化设计方法。首先,确定待优化参数,并以磁场偏差率作为目标函数;然后,采用智能优化算法对目标函数进行寻优;最后,基于优化得到的结构参数,建立相应的有限元仿真模型,检验优化结果的可信度。以2组亥姆霍兹线圈的结构参数优化为例,仿真结果表明,本文方法求得的最优参数优于传统的求导方法寻优得到的参数,且经过有限元法检验后,该优化结果的可信度得到了确认。