简谐基础加速度激励下的点阵结构优化设计

航空航天类产品面临愈加剧烈的振动环境,同时对结构的设计也提出了更高的轻量化需求。针对简谐基础加速度激励下的结构振动抑制问题,基于高比强度、比刚度的轻质点阵结构,提出通过优化点阵结构杆件的截面尺寸来降低结构动响应的优化方法。以点阵结构杆件的截面尺寸为设计变量,结构体积为约束,建立简谐基础加速度激励下结构关键点处位移响应最小为优化目标的优化数学模型。采用模态位移法高效求解结构动响应及灵敏度,并通过GCMMA优化算法实现优化问题求解。数值算例和振动实验表明所提出的点阵结构优化方法在保证结构轻量化的同时,能够大幅度降低结构的振动响应。     

部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化

基于多组件结构系统整体式拓扑布局优化设计方法,研究了同时含有部件布局、组件布局、主结构框架构型和部件结构构型4类设计变量的复杂系统协同优化设计问题,是整体式拓扑布局优化设计面向复杂飞行器结构系统设计的拓展。采用多点约束(MPC)模拟组件、部件及支撑结构之间的刚性连接,采用有限包络圆方法(FCM)解决组件之间、组件与设计域边界之间的几何干涉问题。通过整体式拓扑布局的刚度优化设计,部件和组件均可以获得优化的布局位置,同时主结构框架构型和部件结构构型获得优化的结构样式,充分体现了整体式拓扑布局优化设计方法应用于复杂结构系统设计的能力。     

多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法

包含大量组件的多组件结构系统布局拓扑优化设计中存在大量的组件干涉约束,研究了包含大量组件的结构系统整体式拓扑布局优化设计问题,基于有限包络圆方法（FCM）提出了处理组件干涉约束的惩罚函数方法,构造了包含结构刚度和组件之间几何干涉函数的内外混合惩罚函数,应用基于梯度的优化算法对包含数十个组件上百个干涉约束的多组件结构系统进行刚度优化设计,得到了清晰的支撑结构构型和无干涉的组件布局位置,充分体现了提出的混合惩罚函数方法在解决多组件结构系统布局拓扑优化设计中组件干涉问题上的有效性和适用性。     

简谐激励下弯曲薄板的非线性运动方程

推导了两端固定和两端简支的弯曲薄板在其支承简谐激励下的运动微分方程,并利用Galerkin方法对其进行了离散化处理。     

考虑组件保形约束的多组件结构系统布局优化

提出了一种考虑组件保形要求的组件布局-结构拓扑的多组件结构系统布局优化设计方法。在传统的多组件结构系统布局优化设计基础上,定义了组件设备的弹性应变能函数并用其定量衡量组件设备的弹性变形程度,在多组件结构系统布局优化过程中,采用组件设备的弹性应变能函数作为其保形设计约束,以实现抑制承载组件变形的设计目的。解析了组件设备保形设计约束对结构拓扑及组件布局设计变量的灵敏度,研究了组件保形设计约束与结构系统整体刚度之间的消长关系,分析了组件保形约束对组件布局及支撑结构材料拓扑分布的影响,在考虑组件保形设计约束的挂架系统布局优化模型中引入了系统的质心位置约束并完成了其解析灵敏度求解。通过数值算例,实现了考虑组件保形、材料用量分数、质心位置约束的多组件结构系统布局优化设计。数值算例的计算结果表明,引入组件保形约束的多组件结构系统布局优化设计方法能够有效抑制传力路径上参与承载的组件设备的弹性变形,实现组件设备的保形设计。     

两自由度非线性吸振器在简谐激励下的振动抑制

 为了分析两自由度(2-DOF)非线性吸振器(NES)在主共振附近产生周期及非周期响应时的振动抑制效果,首先应用复变量-平均法,推导了线性主结构连接一个2-DOF NES的系统在主共振附近的慢变力学模型,并对系统平衡点的稳定性进行了分析,进一步对系统响应类型进行了预测。然后,应用增量谐波平衡(IHB)法,对系统的慢变模型进行了数值验证。之后,对系统在稳态响应段及强调制响应(SMR)段的振动抑制效果进行了比较。最后研究了该系统在激励频率小幅变化时的振动抑制效果,并同单自由度(SDOF)NES进行了比较。仿真结果表明,2-DOF NES在强调制响应段的振动抑制效果更好,并且得到了比同质量优化后的S-DOF NES更好的振动抑制效果。     

某型飞机翼盒结构多约束优化设计

将翼盒尺寸设计中多学科设计要求,包括应力、稳定性、气动弹性、变形和制造等要求转化为优化设计过程中和结构尺寸相关联的约束条件,从而将翼盒尺寸多学科优化设计(MDO)问题转化为多约束优化设计(MCO)问题。基于Hyperworks优化设计平台,建立了某型飞机翼盒有限元模型并利用TCLTK语言将多学科约束嵌入到翼盒尺寸优化设计过程中,定义了多约束优化设计模型。优化设计结果减重7.4%,有效指导了翼盒结构详细设计。     

基于多约束的中央机体结构优化设计

针对翼身融合高后置背撑发动机布局中央机体结构所面临的气动、噪声、振动等多学科设计约束,研究多学科优化设计的详细可实施的技术途径,解决多学科响应分析协调,多学科约束统一等问题,并完成基于多约束背撑发动机布局中央机体结构优化设计,给出兼顾结构-气动-噪声等耦合效应的中央机体结构优化设计方案。研究表明,提出的考虑多约束的优化设计方法有效,实现了翼身融合结构中央机体的优化,对工程设计有较大的指导意义。     

基于ANSYS的整体叶盘结构优化设计

为保证整体叶盘结构在安全工作条件下质量最轻,基于ANSYS优化平台,建立了整体叶盘三维参数化模型及结构优化设计数学模型,完成了整体叶盘结构的优化设计.首先结合相关静强度设计准则及方法,在给定轮缘分布载荷条件下对轮盘子午面进行优化.然后建立整体叶盘三维模型,并对子午面优化中未考虑的轮缘关键尺寸如轮缘厚度、喉道倒角、叶根倒角进行三维局部优化.在三维优化中总结出了盘喉道和叶根最大等效应力与各优化参数之间的关系.分两步实施的整个轮盘优化过程仅需3~4h.      

飞机翼面结构布局综合设计方法研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法,本文采用分级优化与集成的策略,该策略分为3个层次。第一个层次为拓扑优化,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局;第二个层次为尺寸优化,它用来确定翼面的中间参数;第三个层次为稳定性准则优化,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的3个层次中,拓扑优化是独立的,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的,并且具有很好的数值效果。作者认为：它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值,值得在飞机设计部门推广应用。最后,总结给出5点结论供参考。     

考虑多点保形的结构拓扑优化设计方法

为了抑制飞行器结构局部区域内多个控制点的翘曲变形,提出考虑结构保形的拓扑优化设计新方法。基于由局部区域内保形控制点生成的人工附加弱单元(AWE),定义AWE的变形能约束函数,从而引入了对结构局部区域的多点保形约束,定量衡量并抑制了该区域内结构的弹性翘曲变形程度。进一步讨论并分析了保形约束与整体刚度之间的消长关系以及优化过程中可能存在的传力路径畸变现象。拓扑优化数值算例的设计结果对比表明,保形拓扑优化方法相比现有拓扑优化方法,能够有效抑制多点间的相对位移和翘曲变形,实现保形设计效果。     

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。     

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法.从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法.分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度.综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不...     

某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计

为了实现飞机部件的轻量化设计,将拓扑优化和代理模型相结合构建了一个结构布局优化的算法。以某型飞机主承力接头为研究对象,根据结构传力路线和工艺要求,将接头的布局优化转化为耳片的平面拓扑优化与螺栓位置的优化。以接头耳片的厚度和中间排螺栓位置作为布局变量,对每组布局变量下的耳片进行拓扑优化,对布局变量采用基于代理模型的遗传算法进行优化。以质量最小为优化目标,在强度与刚度的多约束条件下,完成了某型飞机主承力接头的布局拓扑优化。结果表明,本方法的优化结果比传统的拓扑优化结果减重约 14.5%,验证了优化算法的可行性与有效性。     

结构动力学拓扑优化局部模态现象分析

使用拓扑优化技术进行结构自然频率最大化设计时的主要问题是结构空洞区域可能出现的局部模态现象。采用刚度矩阵和质量矩阵求解动力学特征方程,通过算例分析了结构密度差异、惩罚因子对自然频率和模态的影响以及局部模态现象产生的原因。结果表明,由于实体各向同性材料惩罚函数法(SIMP)使用了指数惩罚因子,空洞区域的密度与刚度差异远远大于实体区域,导致空洞区域局部模态的产生。分析了局部模态的产生过程,给出了结构自然频率和模态相对实体-孔洞区域密度的比值以及惩罚因子的变化趋势。同时,基于传统体胞微结构均匀化等效模型方法,提出了描述结构空洞区域的多种体胞微结构,计算证实这些微结构形式均可有效地避免局部模态的发生。     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。