大型复合材料结构实用优化设计技术研究

在分析某飞机平尾复合材料结构打样设计阶段的实用优化设计技术特点的基础上，应用ANSYS软件环境，深入挖掘开发了所提供的APDL命令集语言工具，实现了大型参数化结构有限元建模以及诸多复杂状态变量的近似计算，并应用于该结构的优化设计过程。这些技术的开发应用，增强了数值分析模型的通用性，提高了结构优化设计技术的实用性。优化设计结果表明，较初始经验设计重量减轻40％，主梁位置更加合理，并满足该平尾结构的气动弹性刚度性能。     

应用ANSYS进行汽车车架结构优化设计的探讨

为了应用ANSYS对结构进行优化设计,总结了ANSYS结构优化设计的数学描述以及模型建立的原则。以汽车车架为研究对象,采用ANSYS构建了其参数化有限元,给出了生成分析文件、定义优化变量以及设置与优化的具体步骤。通过仿真,对纵梁截面尺寸进行了优化设计,并使车架总体积降低了9%。     

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

 论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法（DOE）和响应曲面模型（RSM）技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。     

基于HyperSizer的复合材料舱门结构渐进式优化设计

结构重量是飞机复合材料结构设计需要考虑的重要因素和约束条件.针对某大型复合材料舱门设计方案,建立有限元模型,使用Patran/Nastran进行初步分析,再应用HyperSizer开展渐进式优化设计,优选出符合设计要求的方案,并计算构型的截面参数、铺层角度和铺层顺序等设计参数,完成结构建模和渐进式优化分析过程.结果表明:使用HyperSize进行渐进式优化设计,降低了结构的重量,达到了预期目标.     

薄壁机匣螺栓连接结构多目标优化设计

为增大薄壁机匣安装边螺栓连接结构强度、减小其振动和重量,以满足现代航空发动机更高性能的要求,对机匣结构参数进行了优化设计。选取安装边高度、安装边厚度、机匣厚度和螺栓个数为参数变量,结构质量、一阶固有频率和最大等效应力为目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和有限元计算结果建立二阶响应面模型,基于层次分析获取权系数,并利用遗传算法对机匣结构进行多目标优化设计。最后,针对优化后的结构进行模态试验和有限元验证。研究表明,模态试验结果与有限元计算误差小于6%,同时优化显著提高了一阶固有频率,使其结构质量和最大等效应力分别降低5.28%和13.64%,验证了本文提出的优化方法的有效性和可行性。     

鼠笼式弹性支承结构参数分步优化设计方法

为进一步提高鼠笼式弹性支承结构支承刚度设计的准确性,同时最大限度地减小鼠笼受到的最大应力,在相关研究的基础上,基于参数化建模思想,并结合有限元优化技术提出分步优化设计方法.采用鼠笼式弹性支承的刚度和应力计算公式并结合加工装配条件初定1组满足设计要求的结构参数值;建立鼠笼式弹性支承的有限元优化模型,并将初定的结构参数值代入到有限元优化模型作为优化的初始迭代值,同时以鼠笼笼条的长度和厚度为优化参数,经过迭代计算得到满足工程需求的结构参数.该方法可提高设计精度,节省设计时间.最后,结合具体算例验证了优化设计方法的有效性和实用性.     

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。     

考虑接头参数化的空间桁架轻量化设计

提出了一种考虑接头参数化建模的连杆布局优化方法,该建模过程是基于轴线夹角及尺寸完成的。管状接头结构的几何特性由被连接杆件之间的相互位置和尺寸决定,通过将其相对位置转化为接头轴线夹角,将其尺寸转化为接头主管及支管尺寸实现了接头有限元模型的参数化建模。接头结构的空间位置可由被连接件的空间位置转化的轴线交点决定,综上可以实现接头有限元模型的嵌入及整体桁架结构的有限元模型建立。利用基于高斯过程的贝叶斯方法对于桁架连杆布局进行优化设计,同时将制造难度纳入考虑并给出具体的设计方案。数值算例表明,优化方法可有效提高优化目标即结构固有频率。     

基于正交试验设计的空心叶片结构优化设计

提出了描述空心风扇叶片几何特征的结构设计参数,并由此建立了空心叶片有限元分析模型,同时为适应优化设计的迭代过程,发展了一种能够自动更新空心叶片结构高质量有限元网格的方法.在对简化的设计变量进行合理假设和离散的基础上,将基于强度约束和质量最小化为目标的优化设计问题转化为寻求无约束多目标优化问题,并通过多轮数值正交试验设计...     

大型重载并联机构动平台结构优化设计

为保证并联机构的动平台满足工况使用要求,对动平台进行结构优化设计。首先,在动平台质量一定的前提下,设计4种结构方案,并通过分析比较,选取较优的结构方案。然后研究动平台各结构参数对其应力、变形的影响规律,确定其关键结构参数。最后建立动平台结构参数优化数学模型,对其进行参数优化设计。经过优化设计,优化后的动平台强度和刚度得到提高,满足工况使用要求。     

太赫兹慢波结构微铣削装置的优化设计及模态分析

为使设计出的微铣削装置满足慢波结构件的制造要求,采用有限元辅助分析的方法,通过床身结构优化、减重设计、增加隔振垫等处理,完成对微铣削装置的优化设计.通过对主轴夹持装置的结构参数优化完成主轴夹持装置的优化设计.选取隔振垫弹簧阻尼刚度作为变量,进行模态仿真,研究其对机床频率的影响.结果表明优化后的机床总体变形量下降到2.274μm、最大应力降低到0.69MPa,远小于方钢的屈服极限、一阶固有频率提升至173.12Hz,各阶固有频率特性均得到改善.     

基于人工神经网络的柔性铰链结构动力修改

利用有限元软件计算出柔性铰链结构参数与振动频率的训练样本,然后通过样本训练人工神经网络建立了柔性铰链结构振动频率与其结构参数的非线性映射关系,最后利用训练好的神经网络修正框架的结构参数以满足设计要求的固有频率。     

多频优化与频响优化的结构动力学设计

 本文介绍了飞机研制中的结构动力学设计问题,包括结构多频优化设计及其程序系统SDD1以及结构频响优化设计及其程序系统SDD2,并给出了算例。     

客机概念设计中主要参数初估的计算工具

主要总体参数的初估是客机概念阶段的一项重要工作。本文目的是为客机概念设计开发一个总体参数的初估工具。通过文献分析和理论推导,总结出一种初步确定客机主要总体参数的方法。该方法只需输入商载、航程、飞行性能要求,以及较少的预估参数,就可计算出翼载、推重比和重量特性。根据该方法,应用MATLAB编程技术开发了一个具有良好用户界面的计算工具。算例验证表明,由该计算工具确定出的总体主要参数与参考机型基本一致。     

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法

针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题，提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时，充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题，实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先，通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达，并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差，以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性，建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型；其次，为实现对同步优化模型的求解，给出了基于序列逼近法的求解策略，以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法；最后，分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验，验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。     

某型无人机主起落架缓冲器设计及仿真分析

根据某型无人机总体方案的设计要求在初步设计出的起落架缓冲器结构与缓冲器主要初始充填参数的基础上,利用MSC公司开发的虚拟样机技术软件ADAMS建立起该型号无人机的主起落架缓冲器数值模型,对模型进行了仿真分析,将仿真结果与经验公式计算值进行比较,两者一致性较好,表明模型建立比较准确。接着依据缓冲器优化准则通过仿真测试对影响起落架缓冲性能较大的阻尼油孔进行优化设计,在有效提高缓冲器缓冲效率的基础上,得到了最佳的阻尼油孔面积。为我国在无人机起落架设计中应用虚拟样机技术提供了方法参考。     

Aeroelastic two-level optimization for preliminary design of wing structures considering robust constraints

An aeroelastic two-level optimization methodology for preliminary design of wing struc- tures is presented, in which the parameters for structural layout and sizes are taken as design vari- ables in the first-level optimization, and robust constraints in conjunction with conventional aeroelastic constraints are considered in the second-level optimization. A low-order panel method is used for aerodynamic analysis in the first-level optimization, and a high-order panel method is employed in the second-level optimization. It is concluded that the design of the abovementioned structural parameters of a wing can be improved using the present method with high efficiency. An improvement is seen in aeroelastic performance of the wing obtained with the present method when compared to the initial wing. Since these optimized structures are obtained after consideration of aerodynamic and structural uncertainties, they are well suited to encounter these uncertainties when they occur in reality.     

基于渐进结构优化法的结构动力学设计方法的初步研究

利用渐进结构优化法并结合结构效率的概念,提出了一种新型的结构动力学设计思路和一套基于ANSYS平台的优化程序开发技术.其中单目标、多约束优化模型的建立,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学设计参数,研究初期阶段只依次对各约束进行了单独处理.相关算例的计算结果表明,在相同条件下,忽略数值不稳定性带来的影响,优化程序得到的最终拓扑、结构进化历程以及参数变化都和已有成果基本一致,由此也验证了设计方法的可行性与程序的可靠性.      

基于加工误差仿真的半球谐振子优化设计

针对半球谐振陀螺谐振子制造过程中存在的加工误差,采用有限元仿真,分析了半球谐振子结构参数、尺寸公差和形位公差变化对其工作模态频率和临近模态频率的影响,研究了半球谐振子形位公差变化对频率裂解和品质因数的影响。通过仿真分析可知,半球谐振子结构参数壁厚、半球中心半径及内倒角半径都会影响模态频率;半球谐振子形位公差中的内外球心距离误差对其工作模态影响较大,中心轴平行误差对频率裂解和品质因数影响较大;半球谐振子壁厚、内倒角半径、小柱半径及内外球心距离误差变化会使工作模态频率与相邻模态间存在干扰。在此基础上,提出了半球谐振子结构参数及形位公差优化设计建议,并通过半球谐振子品质因数Q值和频率裂解测量对该建议进行了验证。