基于导重法的自重载荷下悬臂梁结构拓扑优化

针对自重载荷悬臂梁结构拓扑优化末端区域材料分布不收敛的问题，提出了一种拓扑优化方法。根据虚功相等原理，利用四节点矩形单元的形函数、单元体积密度和质量的关系建立了载荷等效方法。根据优化模型的Kuhn-Tucker条件推导出了导重准则，以及目标函数的灵敏度公式和考虑自重载荷拓扑优化的迭代算法。针对自重载荷作用下悬臂梁结构拓扑优化存在的末端区域材料分布模糊问题，研究了变密度法和非结构质量相结合的求解策略，揭示了典型因素对拓扑结构的影响规律。结果表明:所提方法能够解决自重载荷下悬臂梁末端区域材料分布模糊问题。      

轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法

为了减小人为选择参数对优化结果的影响,针对航空发动机轮盘概念设计阶段的结构优化问题,提出了拓扑和形状同时优化(STSO)法.该方法是在变密度(SIMP)法的基础上,通过分析优化目标和约束的灵敏度,用序列二次规划优化(SQP)法进行求解.接着,以板壳结构为例,对比分析了STSO法和分步优化法的结果,说明了拓扑和形状同时优化方法的优点.最后,将同时优化方法应用于轮盘结构概念设计,对比分析了使用拓扑和形状同时优化方法与单独拓扑优化方法进行轮盘结构优化的结果,探讨了不同振型对应的频率约束对优化结果的影响.结果表明,不同振型对应的频率约束下优化结果的结构形式呈现多样性;相较于单独拓扑优化方法,STSO法收敛速度较快、结果也更精确;但是由于形状优化变量取值范围选取不当,有可能会出现网格畸变过大,而导致STSO法所得的结果无效.      

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.     

一种功能梯度Timoshenko梁的损伤识别方法

为了获得功能梯度材料的高精度损伤识别方法,本文基于动力学方法,通过对状态空间变量进行变量替换,求得了沿轴向指数分布的功能梯度Timoshenko梁的传递矩阵,通过分析裂纹对结构局部柔度的影响,采用扭转弹簧模拟裂纹对结构局部柔度的贡献,建立了功能梯度Timoshenko梁的表面裂纹传递矩阵,并且推导了复杂边界条件下多跨梁的理论模型。通过将非线性方程组转化为单一目标函数优化问题,并将增广拉格朗日算法与差分进化算法相结合对结构进行损伤识别。计算实例表明,本文提出的方法具有精度高、收敛快等特点,且适用于复杂边界条件下多损伤模型的损伤识别。      

基于Hopfield网络的飞机设计

Hopfield神经网络与增广拉格朗日乘子法相结合来求解非线性约束优化.神经网络作为求解乘子法的子问题的动力学方法,仅需计算一阶导数.引入逐渐衰减的高斯噪声信号构造随机神经网络.同时针对随机网络受初始温度制约,跳出局部极小值能力有限的问题,网络运行采用结合模拟退火的欧拉法.用该方法对某喷气教练机进行总体优化设计,结果表明,算法的数值稳定性较好,求解精度高.并基于拉氏乘子提供的约束敏度信息,做了设计要求权衡.最后研究了某型干线旅客机的机翼气动/结构综合设计问题.      

基于HPI的神经网络图像匹配多处理机系统

针对嵌入式图像匹配计算特点,采用TMS320C6X系列处理器作为并行神经处理单元,设计了 一种基于TMS320C6X系列处理器HPI(Host-Port-Interface)互连的神经网络图像匹配多处理机系统,在这种并行计算系统中,包括一个主控计算单元和三个并行神经计算单元,主控计算单元通过HPI接口与各个神经匹配处理单元直接连接,通过HPI接口,主控计算单元可以直接访问各个神经元的片上和片外存储器,实现实时图像数据的直接转发和神经元中间运算结果的读取.理论分析表明,该设计可有效优化神经计算结构,提高图像匹配的实时性.      

基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.     

基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

为了提高一种具有远程运动中心(RCM)机构的眼内手术机器人的定位精度和稳定性,在建立机器人坐标系的基础上,通过动力学等效,对机器人各构件质心瞬态位置进行分析。根据拉格朗日方程建立机器人动力学模型。提出基于计算力矩法的重力补偿方法。在此基础上,通过MATLAB/Simulink软件对重力补偿模型进行仿真。比较独立比例微分(PD)控制方法及重力补偿方法的各关节运动响应曲线,表明重力补偿模型可有效补偿重力项;同时,分析重力补偿模型响应曲线与期望曲线的误差,证明重力补偿模型具有较高的补偿精度和可行性。     

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.      

Estimation of flexible space tether state based on end measurement by finite element Kalman filter state estimator

This paper proposes a novel finite element Kalman filter to estimate the unmeasurable state of space tether systems based on the measured state at its ends only. The finite element method calculates the unmeasurable internal state as the virtual measurement based on the dynamic model of the system by imposing the input of measured state at the boundary to the model using the Lagrange multiplier method in the spatial space. Combining the real and virtual measurement into a hybrid measurement model of the system, the full state is reconstructed and propagated in the temporal space by the extended Kalman filter. Two state-space system models, the dynamics-based and kinematics-based state models, in the Kalman filter are explored. The observability and stability of the newly proposed finite element Kalman filter are examined and proved. The advantages of the proposed state estimator are (i) the singularity in the virtual measurement of state caused by the number of internal state greater than the number of state measured at the boundary is eliminated in the statistic meaning by the Kalman filter, and (ii) the effects of noises of the observation data and the uncertainties of model discretization are considered and minimized. The correctness and effectiveness of the proposed state estimator is demonstrated by the numerical analysis of a space tether system orbiting around the Earth. The results show the proposed state estimator with only measured state at the ends of the tether successfully provides an accurate time history estimation of geometric configuration and motion of the entire tether. Moreover, the results also show the difference caused by the dynamics-based and kinematics-based system models in the state estimator is negligible. The kinematics-based system model should be used in the state estimator due to its significantly low computational load. Finally, the proposed method can be easily applied for the state estimation process for other space tethered spacecraft systems.     

航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究

航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦合的特点。应用Lagrange乘子法,将无际边界条件纳入泛函中,通过识别Lagrange乘子,逐步说明弹-液耦合的机理。通过对泛函求驻值发现,无际边界条件由原来的先决条件转化为驻值条件,实现了从协调元到杂交元的过渡。通过分析泛函识别Lagrange乘子前后的驻值条件,明确了识别Lagrange乘子可以有效地减少计算自由度。      

柔性机械臂模型非约束模态降维绝对误差准则

描述柔性结构振动的非约束模态展开方法仅考虑结构参数而不考虑外部作用力,当外部驱动力频率与非约束模态的某几阶频率相等或者相近时,这样的处理将影响动力学响应的近似精度。针对此问题,且考虑到任意驱动力都可以用傅里叶分析的方法将其等效为无穷多个正弦力的叠加,提出了一种正弦力作用下基于非约束模态降维的绝对误差准则。采用有限元法描述柔性机械臂的弹性变形,应用拉格朗日法建立其动力学方程,并用非约束模态降维模型与其作对比,仿真验证了所提出的非约束模态选取准则的正确性。     

非稳态及多约束下多层级系统器材配置优化方法

针对非稳态及多约束下多层级系统器材配置问题进行了研究。首先,以索马里护航器材利用率非常低为研究背景,给出了基地和中心仓库备件需求率求解方法;其次,运用边际效应法、拉格朗日乘子法求出了3个约束条件的因子值;再次,按是否进行串件拼修或横向供应2种情况,建立了多层级系统器材配置的4个方案;最后,通过案例对比分析了4个方案,可为决策者制定编队平时和战时器材配置方案提供有效的参考依据。     

非光滑多体系统最大Lyapunov指数的计算方法

结合非光滑力学与非线性动力学的理论给出非光滑多体系统最大Lyapunov指数的数值计算方法.应用第一类Lagrange方法建立具有单边约束非光滑多体系统变拓扑结构动力学方程;应用线性互补理论与方法检测非光滑事件;应用混沌同步方法计算Lyapunov指数.在提高计算速度方面,提出了采用二分搜索法加快搜索速度以及采用调制参数方法加快系统达到同步状态的速度.通过算例说明本文算法的可行性与有效性.      

双臂协调机械手动力学建模的新方法

由于某种既定任务而产生的约束关系的存在,使得双臂协调机械手的动力学特性表现出高度的非线性和耦合性。因此,利用传统的拉格朗日方程建立其动力学模型显得困难重重。针对平面双臂协调搬运机械手的动力学建模问题,基于传统的拉格朗日方程给出并证明了平面多杆机械手动力学方程的一般表达式。然后利用上述表达式,并基于分析力学界著名的Udwadia-Kalaba方程的建模思想,获得双臂协调机械手在预定轨迹下各杆所需附加力矩的解析表达式及系统的动力学方程,克服了传统拉格朗日方程需借助拉格朗日乘子获得动力学方程的缺点。双臂协调机械手的关节角变化规律和被搬运物体轨迹的数值仿真结果证明所建立的动力学方程符合实际情况。      

圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验

大型圆柱壳结构从空中入水时,在水流强大冲击下将发生较大变形甚至断裂.为提高该结构的耐撞性,将仿真与试验相结合.通过静态拉伸和动态SHPB试验获取两种备选材料的非线性本构关系,拟合出塑性随动材料模型.制作了1∶ 10简化缩比模型,进行了跌落试验与仿真分析.建立了真实结构与全尺寸的薄壳、水、空气耦合的多物质仿真模型,通过ALE/Lagrange无侵蚀罚函数耦合算法,实现了入水过程的有限元仿真分析.找到了初始方案的不足之处,提出了改进方案并进行了仿真验证分析.该方法同样适用于其他具有大变形和非线性的流体冲击问题.