Topology optimization of joint load control with geometrical nonlinearity

This paper presents an extended topology optimization approach considering joint load constraints with geo-metrical nonlinearity in design of assembled structures. The geometrical nonlinearity is firstly included to reflect the structural response and the joint load distribution under large deformation. To avoid a failure of fastener joints, topology optimization is then carried out to minimize the structural end compliance in the equilibrium state while controlling joint loads intensities over fasteners. During nonlinear analysis and optimization, a novel implementation of adjoint vector sensitivity analysis along with super element condensation is introduced to address numerical instability issues. The degrees of freedom of weak regions are condensed so that their influences are excluded from the iterative Newton-Raphson(NR) solution. Numerical examples are presented to validate the efficiency and robustness of the proposed method. The effects of joint load constraints and geometrical nonlinearity are highlighted by comparing numerical optimization results.     

基于拓扑优化的航空发动机滑油箱支架设计

支架是航空发动机滑油箱组件中的重要部件,用于连接和固定滑油箱组件中的箍带.但现有支架设计会引起与之相连的箍带承受偏心拉力,导致结构应力水平偏高进而发生疲劳破坏.本文提出了一种考虑结构局部刚度的拓扑优化方法,能够在提升支架整体刚度的同时兼顾局部刚度,使支架的刚度分布更加合理,进而显著降低与之相连的箍带的应力水平.利用该优...     

重力仪散热装置的热仿真分析

随着移动平台重力测量精度的不断提高,对重力仪的温度控制提出了更高的要求。为了实现在不同温度环境下的高精度重力测量,本文设计了一种保温散热装置,为重力仪提供第一级温控。利用Fluent软件分别模拟了0℃,22℃和40℃环境温度下此装置内重力仪系统的温度场,并在此基础上,利用高低温箱完成该装置的温度性能实验,验证了此温控方案的可行性。     

多斜孔壁冷却方式小孔内对流换热研究

研究了多斜孔壁冷却方式小孔内对流的局部和平均换热情况。研究方法是相似理论指导下的实验研究。研究结果表明:小孔进口区的换热增强幅度较大,并且在进口区不同的位置上增幅存在差别;孔内雷诺数对换热增强幅度影响较大,孔内雷诺数越高,换热增强越大。      

基于双曲正弦函数的拓扑优化在热传导结构设计中的应用

电子设备的热传导结构设计是解决飞机电子设备热防护问题的有效方法,基于经验的传统设计方法存在设计周期长,获得的结果性能并不一定优等问题,因此将拓扑优化应用在飞机电子设备散热设计中,能够快速获取较优的结构布局。建立基于双曲正弦函数(sinh函数)插值模型的热传导拓扑优化数学模型,将该模 型的算法应用于二维、三维热传导算例,并通过 MATLAB编程进行算法实现;该模型与SIMP模型和RAMP模型进行对比,并应用于机载 LRM 模块导热拓扑优化设计。结果表明：基于sinh函数的插值模型较 SIMP插值模型精确,较RAMP插值模型的迭代次数少,能更好地解决热传导结构拓扑优化设计问题。     

航空发动机多辐板风扇盘拓扑优化与形状优化设计技术

为了设计出高性能航空发动机风扇盘结构,首先采用基于自适应随机抽样双向渐进拓扑优化方法对风扇盘进行拓扑优化,得到轮盘合理拓扑构型,然后基于该拓扑构型,采用形状优化方法对轮盘构型做进一步优化。结果表明,在满足强度要求下,设计出了高性能的三辐板、四辐板风扇盘最终减重19.23%,21.59%(其中拓扑优化减重17.12%,19.43%),并且最优解应变能密度分布更加均匀,说明了宽弦风扇盘的合理构型是由若干辐板组成的多辐板结构。      

基于二级优化技术的襟翼导轨设计方法研究及应用

结构质量对飞机的各项性能具有至关重要的影响,为了有效降低飞机结构质量,合理布置材料,提高材料的利用效率,发展一种二级优化设计技术.以外襟翼平面导轨结构为研究对象,将优化设计问题分解成两个易于求解的子问题——顶层优化设计和底层优化设计,顶层优化设计采用拓扑方法确定腹板的加筋形式,底层优化设计采用尺寸优化确定襟翼导轨的厚度分布;通过两层优化,在结构质量最小化的基础上,使得结构形式最优化.结果表明:在保证应力和位移水平的前提下,二级优化设计技术可以快速有效地减轻结构质量,具有一定的工程应用价值.     

拓扑优化方法在航空用钣金零件设计中的应用

为了满足航空产品高载重量及低耗油率的要求,采用拓扑优化技术对航空用钣金零件进行结构优化,实现了钣金零件强度高和重量轻的指标.案例分析表明,在航空用钣金零件初始设计阶段引入拓扑优化方法,会比设计过程中单纯使用结构尺寸优化和形状优化获得更大的经济效益.     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

基于有限元分析方法的某惯性台体结构优化设计

建立惯导系统中惯性组件结构三维模型,利用有限元分析软件对惯性组件结构进行有限元模态计算和分析。根据模态分析结果,对惯性台体结构进行拓扑优化,达到惯性台体减重的目的,优化后的惯性台体结构满足文中提出的设计要求。此结构优化设计方法简单,易于实现,对优化惯导系统结构设计,实现小型化、轻量化目标具有一定的指导意义。     

超参数自适应的MOEA/D-DE算法在翼型气动隐身优化中的应用

MOEA/D-DE 算法易于实现,被广泛应用于处理多目标优化问题,但其超参数CR 和F 对算法性能影响较大。基于MOEA/D-DE 算法框架、利用Sobol 全局灵敏性分析方法对差分进化算子中的交叉控制参数CR进行改进,使用莱维飞行策略控制比例因子F,使算法中的超参数拥有自适应能力,得到超参数自适应的MOEA/D-DE 算法——MOEA/D-DEAH 算法;对MOEA/D-DEAH 算法、不同超参数设置的MOEA/D-DE算法和NSGAII 算法进行函数测试和翼型气动隐身优化算例对比。结果表明：MOEA/D-DEAH 算法性能良好,具有较强的鲁棒性,气动隐身优化效果也比其他算法更好。     

旋转爆轰燃烧室壁面传热特性数值模拟

为研究旋转爆轰燃烧室的壁面传热特性,对H₂/Air旋转爆轰燃烧室进行了三维共轭传热模拟研究。建立了带壁面的燃烧室模型,采用密度基求解非稳态RANS方程,选用标准k-ε湍流模型,利用能量方程和流固界面的Interface边界条件实现壁面耦合传热,研究了旋转爆轰燃烧室非稳态流场及壁面传热特性分布。结果表明,流场中温度升高的原因包括化学反应和流体压缩两种机制。燃烧室头部附近壁面存在环形高温带,壁面温度沿轴向先上升后下降,爆轰波与斜激波交汇处附近温度最高。壁面热流密度则在头部最高,沿轴向逐渐降低。在除头部以外的其他部分,壁面换热系数沿轴向下降,进一步说明了壁面热流密度受燃烧室内部压力的影响。预混条件下,当量比越接近1.0、质量流量越大,燃烧室壁面温度越高且越集中于头部,高热流密度区域的轴向深度越短,极限热流密度越高。     

基于OptiStruct飞机装配型架框架结构的优化设计

建立了飞机装配型架框架优化设计的数学模型;首先对型架框架进行拓扑优化,确定框架的拓扑结构;然后对框架进行截面尺寸优化,确定梁的最终截面尺寸.通过与初始结构的对比,证明了优化设计所取得的效果.     

扇形和圆形气膜冷却孔的流动和传热实验比较

首次对流向倾角α为60°、锥顶角γ分别为15°和30°的扇形气膜冷却喷孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究,并与相同实验条件下圆孔射流的情形进行了比较,结果发现了扇形孔优越的气膜冷却性能和其下游速度边界层等值线的3种基本形态。      

管路式环形散热器性能数值分析研究

基于高隐身飞行器对散热器的设计要求,提出一种安装在进气道末段的新型环形散热器,对其进行数值仿真模拟研究,得到了改型散热器改善的性能,对其进行了质量预估,并将计算结果与传统波纹板结构形式散热器和传统翅片结构形式散热器进行比对。计算结果表明,新型环形散热器较传统波纹板结构形式散热器和传统翅片结构形式散热器相比,新型环形散热器性能明显优于传统型散热器,其换热密度平均提升379%、气体侧换热压降比提升1 470%,即相同换热量时,新型换热器具有更轻的质量、更小的流阻。同时,新型环形散热器采用3D打印技术制造,一体化成型,耐压性更好,且具有快速试制、快速响应、产品一致性好等优点。     

间距对凹坑强化传热和流动阻力的影响

对矩形通道内的球面凹坑壁面进行了传热系数和流动阻力测量,研究了通道Re数和凹坑间距的影响.无量纲流向间距分别为1.5,1.2和0.8.实验发现凹坑面上局部Nu数沿流向和横向变化剧烈.与光滑壁面相比,凹坑面的平均换热增强45%左右,流动阻力增大92%左右,平均综合传热性能增强16%.减小凹坑间距使流动阻力增大,平均换热和平均综合传热性能进一步增强.数据显示Re数对凹坑壁面的换热增强和流动阻力增大的影响相对较小.      

旋转状态下带肋U形通道内换热的实验研究

用实验方法研究了涡轮叶片内带肋Ｕ形通道状态下的前缘、后缘及两侧面局部换热系数分布。结果表明,在旋转状态下此通道的努塞尔数随雷诺数的增大而增大。在进气通道的后缘和出气直通道前缘,努塞尔数随旋转数的增加而增加;在进气直通道的前缘和出气直通道的后缘,努塞尔数随着旋转数的变化出现几次反复。随着浮力数的增加,通道的平均努塞尔数是下降的。Ｕ形通道参旋转状态下的流动换热规律比静态下的复杂的多。     

Experimental investigation on boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels subjected to an acceleration force

Experiments were carried out to investigate the boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels under terrestrial gravity and acceleration fields. A centrifuge with a two-meter long rotational arm was used to simulate the acceleration magnitude up to 9 g and three various acceleration directions. Three test sections with different geometric parameters were applied. The volume concentration of Al_2O_3 nanoparticles with an average diameter of 13 nm was varied from 0.07% to 0.1%. The mass flow rate and vapor quality were in ranges of 3–6 kg/h and 0.4–1.0%, respectively. The effects of the mass flow rate, microchannel aspect ratio,vapor quality, nanoparticle volume concentration, and acceleration direction and magnitude were analyzed in a systematic manner. Experimental results showed that the acceleration direction and magnitude had significant influences on the boiling heat transfer. The heat transfer under configuration C was found to be superior to that under configurations A and B. Moreover, the heat transfer coefficient increased with increases of the mass flow rate and the volume concentration and decreased with the aspect ratio.