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。     

柔性后缘自适应机翼的概念设计

对H.P.Monner提出的 “可转动翼肋”自适应机翼概念进行运动学研究,推导了驱动位移量和偏转变形量之间的对应关系。这种可变形翼肋可简化为由平面连杆机构组合而成的单自由度系统,能使机翼后缘柔性偏转的同时保持翼面光滑连续。提出了基于曲线逼近原理根据后缘中弧线偏转轨迹优化转轴点布局的翼肋机构设计方法。对悬臂梁型、圆弧型和反悬臂梁型3种偏转距离相等但偏转轨迹不同的柔性后缘进行了方案设计和分析,从翼肋机构的实现、承载能力以及气动特性3方面进行了建模计算和比较研究。结果表明,圆弧型是3种柔性后缘中最佳的设计方案;柔性后缘自适应机翼的设计分析方法是切实可行的,可根据实际需要设计出满足任意后缘偏转要求的自适应机翼。     

压电纤维复合材料驱动的机翼动态形状控制

利用压电材料实现柔性机翼的主动形状控制,能够有效提高机翼结构效率和气动性能;要实现连续、光滑的高精确形状控制效果,机翼变形过程必须满足一定的动态要求。本文利用在上下翼面反对称铺设的新型压电纤维复合材料——宏纤维复合材料(MFC)提供驱动力矩,研究了机翼扭转变形的前馈轨迹跟踪控制。首先建立了机翼结构有限元模型和气动力载荷模型,采用载荷比拟法得到MFC作动器的控制载荷向量,给出了气动弹性控制方程及其状态空间表达形式。为跟踪预设的变形参考轨迹,以跟踪误差的时域积分为目标函数,对MFC作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用规划后的电压加载历程,机翼气动弹性响应很好地跟踪了预期参考轨迹,实现了连续、光滑的动态形状控制效果,提高了控制精度。     

机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化

针对机翼后缘柔性支撑结构的多目标拓扑优化问题,分析了柔性支撑结构的优化目标及目标函数,并采用位矩阵表示机翼后缘柔性支撑结构,利用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该优化问题进行了求解。在优化过程中,引入连通性分析和相似个体过滤,借助ANSYS对可行个体进行有限元分析(FEA),获得了结构质量、变形性能和承载能力等目标值。通过MATLAB对违约个体进行惩罚,实现了位矩阵表示的NSGA-Ⅱ,得到了一组互不支配的机翼后缘柔性支撑优化结构,可根据实际需求选择这些相应的拓扑结构。结果表明,本方法可为机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化提供可行、有效的解。     

柔性机翼后缘结构变形重构研究

<正>随着航空技术日新月异的发展,传统飞行器的开缝式后缘襟翼已不能满足军用及民用领域的更高要求。现代变体飞行器主要通过变面积、变后掠角和变弯度等方式实现飞行器结构连续变化。柔性机翼后缘是一种重要的柔性变体结构,它将传统开缝式后缘襟翼结构替换为可连续偏转的柔性材料,实现机翼后缘的连续变形,实现机翼减重、降油耗和提高气动性能等目标。在可连续偏转柔性机翼后缘,使用过程中相对于传统的机翼,会产生较大的弹性变形,因此必须对其变形进行实时的监测和重构,在     

前缘剖面形状对80°／60°后掠双三角翼上涡流运动影响的数值模拟研究

采用上风高分辨率格式———通量差分分裂格式离散求解三维可压非定常薄层N S方程 ,数值模拟前缘剖面形状对 80°/60°后掠双三角翼上涡流运动的影响。计算模型包括尖前缘、菱形前缘、圆形前缘等三种不同前缘形状的机翼。计算结果表明 :三种不同剖面形状的前缘可以诱导产生不同的前缘分离 ,形成的各前缘剪切层的特点也不同。尖前缘机翼的边条翼涡和外翼涡合并点最靠前 ,其次为菱形前缘和圆形前缘的机翼。在大迎角情况下 ,三种机翼上的内翼涡发生破裂。圆形前缘机翼上的内翼涡破裂点比其它两种情况下破裂点的位置较靠前。涡的合并对二次涡的结构和特点也有显著的影响。     

基于柔性翼肋的变形机翼几何参数设计

为了实现柔性翼肋在机翼结构中的应用,试验分析了柔性翼肋结构的变形效能.推断分析了机翼几何参数(翼面积、展弦比、尖稍比、后掠角)对机翼升阻特性的影响,结合柔性翼肋在机翼中的应用,优化了机翼参数和相应的后缘柔性变形量.实验证明柔性机翼结构的可行性,性能评估证明柔性机翼具有一定的优势.     

全柔性微型机构的拓扑优化设计技术研究

提出一种全柔性机构拓扑优化设计的新方法。用折衷规划法建立了柔性机构的多目标优化设计模型,在优化目标中引入运动学函数和结构函数分别表示柔性机构设计对机构柔性和结构刚度的要求,并采用伴随敏度分析法进行优化设计的敏度分析。将传统凸规划方法中的移动渐近线方法(MMA)推广到连续体的结构拓扑优化设计中,并形成一种新的具有全局收敛特点的移动渐近线方法(GCMMA)。对柔性机构拓扑优化设计中出现的数值计算困难问题进行了分析和研究,并提出一种改进的SIMP密度-刚度插值模型,该模型能有效消除机构中出现的棋盘格式和网格依赖性,并能明显减弱单点铰链连接问题。通过典型算例证明了本文方法的有效性,并对算例结果进行了快速原型制造。     

面向机翼气动外形优化的二级优化方法

针对飞机气动外形优化问题,提出了一种流程简单,可同时优化总体外形和剖面形状的二级优化方法.这种方法将优化流程分为总体外形级和剖面形状级两个层次:总体外形级优化任务是将外形参数传递给剖面形状级,并对总体外形进行优化;剖面形状级优化任务是对剖面形状进行优化,并将目标函数和约束值返回总体外形级.二级优化的最终结果可获得最优的总体外形和剖面形状.文章以一个通用航空飞机的机翼为算例,验证了这种二级优化方法的可行性和有效性.     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

Topology optimization of compliant adaptive wing leading edge with composite materials

An approach for designing the compliant adaptive wing leading edge with composite material is proposed based on the topology optimization. Firstly, an equivalent constitutive relationship of laminated glass fiber reinforced epoxy composite plates has been built based on the symmetric laminated plate theory. Then, an optimization objective function of compliant adaptive wing leading edge was used to minimize the least square error（LSE） between deformed curve and desired aerodynamics shape. After that, the topology structures of wing leading edge of different glass fiber ply-orientations were obtained by using the solid isotropic material with penalization（SIMP） model and sensitivity filtering technique. The desired aerodynamics shape of compliant adaptive wing leading edge was obtained based on the proposed approach. The topology structures of wing leading edge depend on the glass fiber ply-orientation. Finally, the corresponding morphing experiment of compliant wing leading edge with composite materials was implemented, which verified the morphing capability of topology structure and illustrated the feasibility for designing compliant wing leading edge. The present paper lays the basis of ply-orientation optimization for compliant adaptive wing leading edge in unmanned aerial vehicle（UAV） field.     

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。     

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.     

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ordered-EAMP模型的多材料传热结构拓扑优化

基于多材料变密度拓扑优化方法提出了一种密度指数函数插值的有序多材料性能近似(or-dered exponential approximation of material properties,ordered-EAMP)模型,数学性质以及算例表明,与传统的SIMP/RAMP插值相比,该模型具有计算稳定,收敛速度快,优化结...     

全柔性微位移放大机构的设计技术研究

全柔性机构是一种新型机构,通过采用免装配、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。其重要的应用之一是可作为精密驱动系统中的运放机构。为此,对此类机构进行了较为系统的研究,包括典型的结构类型、结构设计中的诸多考虑以及新型运放机构的开发等。所有这些都为精密作业领域中驱动系统的构筑提供了丰富的参考素材。     

A closed-form nonlinear model for spatial Timoshenko beam flexure hinge with circular cross-section

Beam flexure hinges can achieve accurate motion and force control through the elastic deformation. This paper presents a nonlinear model for uniform and circular cross-section spatial beam flexure hinges which are commonly employed in compliant parallel mechanisms. The proposed beam model takes shear deformations into consideration and hence is applicable to both slender and thick beam flexure hinges. Starting from the first principles, the nonlinear strain measure is derived using beam kinematics and expressed in terms of translational displacements and rotational angles. Second-order approximation is employed in order to make the nonlinear strain within acceptable accuracy. The natural boundary conditions and nonlinear governing equations are derived in terms of rotational Euler angles and subsequently solved for combined end loads. The resulting end load-displacement model, which is compact and closed-form, is proved to be accurate for both slender and thick beam flexure using nonlinear finite element analysis. This beam model can provide designers with more design insight of the spatial beam flexure and thus will benefit the structural design and optimization of compliant manipulators.     

实现柔性机翼后缘形状变化的综合优化(英文)

Adaptive wings have long used smooth morphing technique of compliant leading and trailing edge to improve their aerodynamic characteristics. This paper introduces a systematic approach to design compliant structures to carry out required shape changes under distributed pressure loads. In order to minimize the deviation of the deformed shape from the target shape, this method uses MATLAB and ANSYS to optimize the distributed compliant mechanisms by way of the ground approach and genetic algorithm （GA） to remove the elements possessive of very low stresses. In the optimization process, many factors should be considered such as airloads, input displacements, and geometric nonlinearities. Direct search method is used to locally optimize the dimension and input displacement after the GA optimization. The resultant structure could make its shape change from 0 to 9.3 degrees. The experimental data of the model confirms the feasibility of this approach.     

Topology Optimization Design for the Layout of theMain Bearing Joint of a Certain Aircraft

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。