桁架拓扑优化几何稳定性判定法和约束方案比较

为提高桁架结构几何稳定性的判定准确度和桁架拓扑优化结果的工程实用性,对桁架结构几何稳定性的判定方法和桁架结构拓扑优化问题中3种几何稳定约束方案的有效性进行了比较研究。首先结合简单桁架示例,对比了判定桁架结构几何稳定性的几种方法,给出评估桁架结构几何稳定性的一种简单流程;然后对处理桁架结构几何稳定性的3种常见约束方案,给出了对应拓扑优化问题的一个统一的半定规划（SDP）模型;最后结合算例讨论了3种几何稳定约束方案下的拓扑优化结果,说明了不同方案的有效性。结果表明,考虑附加载荷或全局稳定约束均不能保证优化后桁架结构的几何稳定性,但在约束值合理设置的情况下,考虑基频约束则可以保证。      

采用改进导重法的拓扑结构灰度单元过滤技术

针对二分法计算拉格朗日乘子时收敛速度较慢的问题, 提出了拉格朗日乘子计算方法, 应用于优化准则(OC)法和导重(GW)法2种密度更新方法, 并与二分法进行了对比。建立体积约束下柔度最小的拓扑优化模型;通过固体各向同性材料惩罚(SIMP)法或材料属性有理近似(RAMP)法计算单元的弹性模量;通过所提方法计算拉格朗日乘子, 并通过导重法更新单元密度;通过Heaviside投影函数减少灰度单元的数量。计算结果表明:虽然所提方法对有限元分析次数并没有显著改进, 但计算拉格朗日乘子所用CPU时间少于二分法, 且密度更新次数降低至50%以下;在2个数值算例中, 采用SIMP模型时, 导重法所得结构柔度比OC法更小, 能够得到刚度更高的结构。      

基于SIMP法的周期性传热材料拓扑优化

为了实现基于宏观热传导条件的周期性材料微结构设计,建立了基于固体各向同性材料惩罚法的周期性结构拓扑优化模型.模型以体积比为约束,散热弱度最小为优化目标.为了满足周期性约束,将设计域划分为若干相同子区域,并重新分配散热弱度.基于偏微分方程的图像处理方式可以有效地消除棋盘格和网格依赖性现象.讨论并分析了不同子区域个数及不同载荷工况对拓扑优化构型的影响.数值实验结果表明:周期性结构的建模方式可以实现基于宏观稳态热传导条件的周期性材料微结构设计.子区域个数不同时,优化得到不同的微结构构型,这反映了尺寸效应对材料设计的影响.当子区域个数不断增加时,优化结果逐渐趋向收敛于均匀化方法对应的极限值.      

新型高推比涡轮风扇发动机盘时耦合振动分析

本文将群论算法和动态子结构技术结合起来，并采用计算效率极高的Ｂｅｎｆｉｅｌｄ－Ｈｒｕｄａ的模态代入变换法，分析了某型发动机压气机的叶片／轮盘耦合系统的振动特性，计算了该叶片／轮盘耦合系统的前５阶振动频率和振型．根据叶片／轮盘耦合系统的共振条件进行共振分析，确定该发动机压气机有可能发生叶片／轮盘耦合共振．     

新型高推比涡轮风扇发动机盘叶耦合振动分析

本文将群论算法和动态子结构技术结合起来，并采用计算效率极高的Ｂｅｎｆｉｅｌｄ－Ｈｒｕｄａ的模态代入变换法，分析了某型发动机压气机的叶片／轮盘耦合系统的振动特性，计算了该叶片／轮盘耦合系统的前５阶振动频率和振型，根据叶片／轮盘耦合系统的共振分析，确定该发动机压气机有可能发生叶片／轮盘耦合共振。     

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%.     

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。     

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

大型碳纤维桁架结构模态试验及特性

基于随机子空间识别方法,采用自然脉动试验研究了大尺度、轻质高强承力型碳纤维复合材料桁架结构的模态特性.基于该桁架结构本身的特点,提出了3个基本假设,结合实际应用中桁架结构的约束条件,设计了大型碳纤维复合材料桁架的模态试验方案,并对试验结果进行了详细分析,总结了其频率特性、阻尼特性及振型特点.结合锤击法试验和有限元方法,对试验结果进行对比分析,结果表明3个基本假设合理,试验方案有效,试验分析结果可靠.研究结果可应用于浮空器结构设计和健康监测.      

一种大变形多空间域连续体结构拓扑优化方法

针对大变形非线性结构拓扑优化问题,提出了基于混合细胞自动机(HCA, Hybrid Cellular Automata)多空间域连续体结构拓扑优化方法;采用密度法,建立了单元相对密度表示的材料弹-塑性模型;以单元相对密度和应变能作为细胞自动机(CA,Cellular Automata)的状态信息,利用CA局部控制规则,修改相对密度,迭代实现各设计空间域应变能均匀分布;设计了多空间域拓扑优化HCA算法,采取多个对象同时耦合优化迭代,各自收敛策略,解决了多空间域优化迭代算法收敛稳定性问题;最后,以汽车保险杆结构横梁和支撑等两个设计空间为例,施加大变形动态载荷作用,对提出的多空间结构优化算法进行了验证,优化后结构有效地降低了碰撞作用力峰值达54％,提高了结构安全性.     

卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

为了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能,提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段Ⅰ以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化,框架基频的最大化为优化目标,铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示,并将多进制码映射为连续变量,应用粒子群优化(PSO)算法对阶段Ⅰ优化模型进行求解。在阶段Ⅰ优化结果的基础上,阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数,以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型,应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。为了验证该方法的有效性,对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设计,结果表明:该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量,并提高基频。     

航空发动机承力结构隔振设计方法及试验

基于先进航空发动机承力框架的结构与力学特征,通过理论分析与仿真计算验证了高隔振性承力框架结构动力学设计方法。通过对承力结构刚度/质量分布及几何构形突变的优化设计,提高转子支承结构在宽频域内的机械阻抗,实现在转子工作转速范围内的高隔振性。根据承力结构刚度/质量分布对隔振性的影响,采用折返式非连续结构,设计并搭建了转子-承力框架试验系统,通过试验进一步验证了高隔振性承力框架设计方法。试验结果表明:在承力结构中采用非连续性设计可在宽频域内对不同位置支点处激励具有良好的隔振效果。      

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.      

航天器桁架结构拓扑优化设计

对带有附加结构的卫星主桁架结构进行了拓扑优化设计。优化的目的是在满足结构柔度和基频约束条件下使结构体积(结构质量)最小。对优化时可能存在的重频优化问题,采用半定规划法建立了结构优化模型,该方法可回避重频情况下敏度分析所带来的困难,对有无重频问题均适用。对附加结构的刚度及质量对拓扑优化结果的影响进行了讨论,并进行了多方案设计和比较。对桁架结构拓扑优化中常见的次元问题进行了分组处理,在满足卫星力学性能指标前提下,大幅度降低了桁架结构的质量,获得了工程适用的结构设计方案。     

某卫星平台多结构工况下的优化设计

采用航天器结构优化系统ESSOSⅡ(Engineering System of Structural Optimization for Spacecraft),对某复杂卫星结构进行了以重量最轻为目标、以其中复合材料板件的铺层厚度为设计变量的优化设计,考虑发射(收拢)和在轨(展开)2种结构工况下的基频和应力等约束条件.基于2种结构工况下的有限元模型,采用二级多点逼近寻优算法进行优化求解,每一次优化迭代过程中均需对各结构工况模型作有限元分析.优化后结构重量比初始设计有明显降低,且满足收拢、展开结构工况中的所有约束条件,为卫星结构分系统的改进设计提供了依据,同时进一步验证了ESSOSⅡ系统的有效性.     

单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法

星载抛物面天线在轨运行时由于姿态调整或环境因素变化,可能产生振动,从而降低其工作性能。为了减弱振动的影响,需采取加装张紧绳索的方法来提升天线刚度。提出了一种新型张紧绳索多层设计方法,通过将抛物面天线划分为多层,调整各层绳索的张紧力,从而提高天线结构刚度,同时尽量降低张紧力引起的形面误差。为了验证所提方法的有效性,建立了天线的有限元模型。在此基础上进行了有限元分析,研究了不同张紧力参数配置下的结构刚度和形面误差,并以提升结构刚度的同时降低张紧力引起的形面误差为目标,对张紧力参数进行了优化设计。为了提高计算效率,采用响应面法建立代理模型参与优化迭代计算。采用非劣排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）完成优化迭代计算,优化后的张紧力参数使天线的性能得到了进一步的提升,为构架式可展开抛物面天线的设计提供理论指导。      

数值模拟激光测振在光纤陀螺设计中的应用

应用有限元单元法对光纤陀螺结构进行了振动摸态仿真,利用Polytec-PS200激光测振仪实现了陀螺的高精度测振.发现振动环境中结构的共振是影响陀螺精度的主要因素之一.验证了合理的结构可有效地提高光纤陀螺在振动环境中的精度——优化后的陀螺在相同振动环境中零漂减小了65％.