基于移动渐近线方法的结构多刚度拓扑优化设计

基于人工密度指数法,结合序列分层优化方法和折衷规划法,提出并建立了一种求解复杂工况下连续体结构多刚度拓扑优化设计问题的多目标混合优化策略。连续体结构的多刚度拓扑优化设计问题本质上是一种非线性数学规划问题,以数学规划方法中的移动渐近线方法为基础,提出一种具有较佳全局收敛性和单调性特点的序列凸规划近似方法,该法对于目标函数复杂和多约束的拓扑优化问题具有更好的适定性。通过典型的数值算例证明了所研究方法的有效性。     

实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化

 为了实现自适应机翼表面的连续准确变化和结构轻量化,将分布式柔性机构引入到机翼形状变化结构设计中。基于SIMP密度 刚度插值模型,以实际位移与目标位移之间的偏差最小为目标,建立了实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化模型,采用Matlab编程对柔性机构进行了优化设计,并对不同参数变化的影响进行了讨论,最后使用Ansys9.0对其中一个优化结果进行了机构的仿真分析。研究结果表明：该机构可实现机翼前端0~8.14°的变化;不同的体积分数、驱动位置、权重因子将对优化结果产生不同程度的影响,从而证明了用分布式柔性机构实现机翼前缘连续形变的可行性和设计方法的有效性。     

基于参数化分析的柔性后缘优化设计

介绍了一种自适应柔性机翼后缘变形控制优化设计方法,该方法采用了由单个驱动器驱动的单块式分布柔性结构。该方法的关键在于设计一种合适的柔性后缘结构拓扑形式,使该自适应柔性机翼后缘能够达到精确的变形。阐明了柔性结构拓扑优化设计的数学模型,针对自适应柔性机翼后缘概念设计提出了基于参数化分析的拓扑优化设计方案,并进行了工程化圆整和尺寸优化。最终,通过非线性有限元分析和功能测试,验证了本文提出的柔性后缘优化设计方法的合理性。     

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。     

考虑承载面最大位移约束的结构拓扑优化方法

在实际工程问题中,存在着一类承受分布力载荷作用的工程结构。为了实现此类结构的刚度设计要求,提出限制承载面变形的拓扑优化设计新模型。模型采用KS包络函数对承载面节点位移进行凝聚化处理,并推导了相应的伴随方程和敏度表达式。遵循独立连续映射法建模方式,采用一阶和二阶泰勒展开分别得到约束函数和目标函数的显式表达式。由此将优化问题转换为一系列标准二次规划子问题,采用序列二次规划算法进行高效、稳健求解。通过二维、三维数值算例验证了提出模型的可行性和有效性。结果表明,所提出的列式和相应的优化求解算法能有效控制结构局部区域的最大变形量。     

飞机骨架结构方案的优化设计

为了能够有效地降低飞机结构承力件的重量,针对飞机骨架,以加强框和普通框以及翼梁的概念设计为研究内容,通过对“敏度阈值“概念的分析,指出其不足,提出了“改进的敏度阈值“概念,并与“约束补偿“策略结合而形成新的拓扑优化算法,用于上述结构件的材料布局优化设计.多个算例中的拓扑优化结果均显示其结构型式十分新颖,值得深入地探讨.由此可以得出3点结论:(1)采用CAD/CAE和拓扑优化相结合用于飞机结构件的初始方案设计是可行的;(2)作者提出的“改进的敏度阈值“拓扑优化算法是有效的;(3)构建一种具有良好操作性的、有别于经验设计的飞机结构件概念设计新方法.     

改型设计中飞机普通框一种设计方法

为了能够合理地降低飞机结构重量系数,针对飞机改进设计,以普通框为研究目标,通过对“敏度阈值”的改进,提出“敏度变阈值”概念,并与“约束补偿”策略结合而形成拓扑优化算法,来用于普通框的轻量化设计。以某一轻型小飞机的后段一普通框为例,拓扑优化结果表明：(1)等材料设计时,刚度提高40％;(2)等刚度设计时,材料用量减少30％。由此可以得出：(1)基于“敏度变阈值”的拓扑优化算法用于飞机普通框改进设计,是可行和有效的;(2)给出了一种具有可操作性的设计方法,用以实现框结构“等刚度”的设计思想;(3)所给出的方法易于飞机结构设计人员接受与掌握,并且方便地用于将来的框结构改进设计之中。     

拓扑优化方法在飞机结构件概念设计中的应用

为了能够有效地降低飞机结构承力件的重量,针对飞机骨架,以加强框和普通框以及翼梁的概念设计为研究内容,通过对"敏度阈值"概念的分析,指出其不足,提出了"改进的敏度阈值"概念,并与"约束补偿"策略结合而形成新的拓扑优化算法,用于上述结构件的材料布局优化设计.多个算例中的拓扑优化结果均显示其结构型式十分新颖,值得深入地探讨.     

位移约束下火箭橇结构拓扑优化方法研究

兼顾安全性与经济性的高性能结构优化设计是结构设计领域的重要需求,面向火箭橇结构的拓扑优化设计对火箭橇试验具有重要意义.本文在火箭橇结构动力学仿真分析的基础上,基于变密度法建立了火箭橇结构的拓扑优化模型,利用伴随矢量求解了目标函数与约束函数关于设计变量的灵敏度,通过移动渐近线算法驱动了设计变量的更新迭代,最后对拓扑优化设...     

基于遗传算法的柔性机构形状变化综合优化研究

 实现机翼在不同的飞行状态下的最优气动外形是变弯度自适应机翼的一项关键技术。针对传统铰链机构会使机翼表面产生不连续变化而导致气流提早分离的问题,从全柔性机构实现连续平滑的形状变化的技术出发,以目标形状与实际形状的边界曲线之差最小为优化目标,采用遗传算法(GA)对柔性机构的拓扑、尺寸、形状进行了综合优化。在优化方法上,以二进制编码技术和实数编码技术为基础建立初始离散柔性机构的混合变量遗传算法模型,将其映射为有限元模型并进行了结构分析。在优化过程中引入了渐进结构优化(ESO)算法的思想,消除GA优化过程中产生的自由单元,改善了优化效率和分析结果。结合机翼前缘形状变化实例,基于MATLAB进行优化设计,并用ANSYS10.0对优化结果进行了机构的仿真分析。分析结果表明,所提出的方法合理、有效。     

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

Integrated design of topology and material for composite morphing trailing edge based compliant mechanism

The morphing trailing edge based compliant mechanism is a developing technology which can increase lift-drag ratio for variable flight modes by bending down the trailing edge. Composite material design is integrated into topology optimization for the morphing trailing edge based compliant mechanism in the paper. A two-step optimization strategy is established to solve the integrated design problem. Initially, lamination parameters are introduced and viewed as a bridge between structure stiffness and fiber angles for composite material. Design variables include the lamination parameters and element density. The least-squares between actual and desired displacements at output points along trailing edge is adopted to evaluate the deformed capability of the trailing edge. An integrated optimization model for the composite morphing trailing edge is established with the volume constraints. The optimal topologic shape and lamination parameters are initially obtained. Subsequently, a least-squares optimization between fiber angles and the optimal lamination parameters is implemented to obtain optimal fiber angles. Finally, morphing capability of composites trailing edge based compliant mechanism is investigated by simulation and experiments. The results indicate the composites trailing edge based compliant mechanism can approximately bend down 8 degrees and satisfies the design requirement.     

用几何规划的方法研究飞机总体参数的优化设计

寻求一个工程设计中可以接受的、能够满足各种设计约束条件的优化设计途径,一直是飞机设计部门努力追求的目标。由此可见,非线性规划是重要而困难的研究课题。本文用几何规划的方法求解一般的非线性规划问题,利用Duffin公式近似求目标函数和约束条件,经过正定单项式的对数化,将非线性问题线性化,并将之用于飞机整体设计的参数优化选取问题,算例结果表明,符合飞机总体设计阶段对计算的要求,具有一定的理论意义和应用价值。     

考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计

为了实现航空发动机冷端风扇叶片在考虑鸟撞情况下的轻量化设计,从结构拓扑优化计算的角度出发,对该问题展开深入的研究并提出具体的解决方案。针对叶片优化中存在的优化模型建立,结构动态工况优化,多条件约束并存处理,多工况联合优化等关键问题,进行了理论上的深入分析研究,阐述了结构多约束、多工况动态优化的理论基础,并结合相应的数值计算平台,提出了风扇叶片分步优化计算的方案,对航空发动机叶片进行拓扑优化计算。计算结果显示,最终的叶片轻量化结构满足所有鸟撞与离心载荷多工况的优化约束条件,拓扑结构中材料分布合理,在满足适航条例强度要求的同时质量减少达37.9%,具有一定的实际参考应用价值,同时所提出的动态优化计算方案,在工程结构的动态优化中具有广阔的应用前景。     

A new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures

This paper presents a multi-objective programming scheme for the conceptual design of aerodynamic missile's structure using topological optimization approaches, in which both the compliance and eigenfrequency are regarded as static and dynamic optimization objectives, respectively. During the conceptual design of the aerodynamic missile with multiple loadings, both the multilevel sequential programming approach and the compromising programming method are coupled together to settle the associated difficulties when the whole structure of the missile body is considered as a pre-defined design domain. The compromise programming method is first applied to describe the statically loaded multi-stiffness topology optimization, and the dynamic formulation is used to establish the subsequent optimization problem mainly concerned with free vibration. The main advantage of the proposed scheme is the flexibility of dealing with optimal topology designs for the whole structures of aerodynamic missiles with complicated loading cases. Solid isotropic material with penalization (SIMP) is used as the interpolation scheme to indicate the dependence of material modulus upon regularized element densities. The sequential convex programming approach is applied to solve the optimization problem. An engineering application is used to demonstrate the characteristics of the presented methodologies based on the commercial software package of Hyperworks.OptiStruct at Altair®.     

多孔材料夹层结构声辐射特性的两尺度拓扑优化设计

基于均匀化计算理论结合结构构型设计和材料构型设计,建立以声辐射功率为目标的两尺度材料/结构协同优化模型,针对夹层结构声学设计问题,开展了声辐射特性拓扑优化研究。分别给出了声辐射功率对宏观和微观设计变量的灵敏度,结合移动渐近线法(MMA)实现了材料/结构两尺度设计。结果表明,声辐射功率两尺度优化改变了夹层结构各阶主振型的形状和顺序,同时也改变了被激发的振型。此外,算例研究了激励频率和约束对优化结果的影响以及声辐射功率目标优化的特殊现象。     

某型飞机的某零部件优化设计分析

运用AltairHyperWorks强大的结构优化功能对某型飞机的一个重要零部件进行有限元优化设计,软件采用AltairHyperWorks和CATIA,优化方法采用拓扑优化。通过对优化结果分析、简化和再设计,结果表明,去掉该零部件的局部材料,该零部件的刚度增加,重量减轻,应力基本没有变化。