卫星肼瓶系统减振优化设计

由于布局和安装条件的限制,某卫星肼瓶支架采用了“十”字型截面设计,这导致在发射过程中某方向肼瓶振动幅度过大,发生较大变形甚至断裂破坏。为减小肼瓶系统的过度振动,采用结构优化方法进行了减振动力学设计。考虑以下方案:1)固有频率约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;2)频率响应约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;3)以频率响应极小化为目标函数的肼瓶系统尺寸优化;4)频率响应约束下阻尼材料拓扑布局优化,以肼瓶系统重量为目标函数。对优化模型1)~3)进行直接线性化处理,采用序列二次规划方法求解。在阻尼材料拓扑布局优化中,采用了作者提出的基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则。综合比较上述方案优化效果,阻尼拓扑布局优化设计的减振效果是最佳的。文中对动力响应优化设计问题的优化模型选取也进行了探讨。     

基于混合变量的导弹舱段径向连接结构综合优化设计

针对导弹舱段径向连接结构的优化设计,研究其优化模型的建立及求解。该优化问题同时涉及尺寸、形状及拓扑优化,是一个综合优化问题。将离散变量螺栓规格及螺栓个数,与连续变量连接段的细节尺寸同时引入优化模型作为设计变量,实现对混合变量的同步优化,在满足结构强度与刚度约束下,实现结构质量最小的优化目标。建立了该结构综合优化设计的优化模型,并基于多学科优化平台i SIGHT成功求解,得到的优化结果在工程校核过程中满足工程设计要求。实现了对导弹舱段径向连接结构综合优化设计问题的通用建模,对复杂结构系统优化问题具有一定的应用参考价值。     

某型号离心机吊篮拓扑优化设计

在某型号离心机吊篮设计中,采用了拓扑优化设计。根据离心机吊篮的最大外形尺寸、连接边界、承载质量、离心机最大加速度值等参数,确定了拓扑优化的设计区域、载荷条件、边界条件,并用ANSYS建立了其有限元模型。以整体刚度最大为目标,根据吊篮质量要求施加拓扑优化约束条件,建立了吊篮拓扑优化的数学模型。采用TOSCA软件进行优化求解。拓扑优化后结构质量满足约束条件,刚度显著提高。     

基于等几何分析的板壳结构形状-拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状-拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤,在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制,极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性,结果表明,与经典等几何拓扑优化方法相比,可得到更高性能的优化结构,有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。     

基于物理规划的固体火箭发动机不确定性优化设计

在基于建模与仿真的固体火箭发动机设计过程中客观存在许多不确定性,决策不确定性定义为设计与优化问题描述和决策过程中存在的模糊性。传统优化设计模型将优化设计问题作为确定性问题求解,可能会漏掉真正的工程实际可接受的最优结果。采用物理规划方法建立优化设计模型,可得到综合满足多个设计准则的Pareto解。以固体火箭发动机总体方案优化设计为例,证明了物理规划方法作为固体火箭发动机设计决策不确定性建模方法的有效性。     

桁架结构拓扑优化系统软件开发及其在大型天线安装桁架设计中的应用

针对大型复杂桁架式承力结构的构型设计和优化问题,基于桁架结构拓扑优化的半定规划模型及算法,以MatLab为平台设计开发了桁架结构拓扑优化系统(TODOSST)软件。首先以柔度最小化问题为例给出了桁架拓扑优化的半定规划模型,通过不同目标和约束的组合构造了优化模型库;然后在MatLab环境下完成了软件的框架设计和功能模块开发;最后将软件应用于大型天线安装桁架的构型优化。结果显示:使用TODOSST软件得到的优化设计方案能够显著减小结构质量,提高结构静/动态刚度,降低内部节点弯矩水平。优化结果对工程结构设计具有重要的参考价值,同时也验证了TODOSST软件应用于桁架结构构型设计的实用性和有效性。     

旋转惯性过载作用下结构拓扑优化设计研究

为实现再入体结构轻量化设计,开展了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计技术研究。本文利用灵敏度“逻辑与“综合方式的多工况结构拓扑优化设计方法,结合惯性载荷作用下拓扑灵敏度分析,研究了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计。针对锥筒形支架结构,以整体刚度最大化为目标函数,材料用量为约束条件,进行了结构拓扑优化设计,得到了合理的优化构形。     

基于多目标遗传算法的固体火箭发动机面向成本优化设计

多目标优化设计的概念和方法被方法用于面向成本设计，采用一种基于Pareto最优解的多目标遗传算法－－NSGA－Ⅱ算法，以某固体火箭发动机为算例，利用成本模型和工程模型，以产品的性能和成本作为目标函数进行了多目标优化设计，计算结果表明，NSGA－Ⅱ算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，算法收敛性和鲁棒性好，基于NSGA－Ⅱ算法的面向成本多目标优化设计方法为产品在方案阶段开展性能和成本之间的权衡分析提供了有效的工具。     

卫星复合材料桁架结构多级优化设计方法

针对卫星用复合材料桁架结构,提出一种多级优化设计方法,对复合材料桁架结构的空间构型、几何参数以及材料铺层角度开展协同优化设计。该方法能够在缩减优化问题求解规模,提高解算精度的同时,获得兼顾结构刚度、强度、稳定性、质量以及在轨热变形的综合最优结果。最终通过工程算例,验证了文中提出优化设计方法的有效性。     

飞行器总体不确定性建模与优化设计方法

针对考虑不确定性的飞行器总体设计迭代周期长、优化困难等问题，提出一种基于裕度量化解耦策略的飞行器总体不确定性建模与优化设计方法。首先采用主动学习策略开展基于优化加点Kriging的阈值不确定性分析，实现了不确定性裕度的高效求解。进而提出一种适用于飞行器总体设计的裕度量化解耦策略，将双层嵌套的不确定性优化问题解耦为确定性优化与不确定性分析过程顺序执行，高效给出满足概率约束的优化设计方案。该方法解决了传统解耦方法采用嵌入式算法而导致的工程应用困难的问题。通过非线性多约束数值案例以及滑翔飞行器工程案例，验证了该方法能够在保证精度的前提下，提高不确定性优化设计效率。     

固液捆绑运载火箭主捆绑机构设计

结合新一代固液捆绑运载火箭的特点和需求,提出了一种新型固体助推器主传力点捆绑机构的轻量化设计方案。方案采用了静力学分析软件对该主捆绑机构开展结构布局优化、拓扑结构优化以及自适应对接设计及分析,实现300 mm径向空间下1 800 kN偏置集中力承载、均匀扩散功能和在70 t重载下轻便自适应对接等功能。通过仿真分析和试验验证,证明了该主捆绑机构满足承载扩散和对接要求。     

降低热变形的卫星有效载荷安装结构优化设计

在整星有限元热变形分析基础上,以有效载荷安装结构热变形最小为目标,对安装结构依次进行拓扑优化及设计敏度分析和尺寸优化。结果表明：通过优化设计,在显著降低该结构热变形的同时大幅减小其质量;拓扑优化给出结构基本构型,尺寸优化进一步细化结构设计方案,二者结合能有效改进结构设计。     

基于准则法的阻尼结构拓扑优化

针对阻尼结构设计,利用拓扑优化技术研究了阻尼结构模态损耗因子最大化设计问题。采用 密度法（Pseudo\|density Method）和材料属性合理近似模型（Rational Approximation of Material Properties, RAMP）建立了以阻尼材料用量为约束条件、模态损耗因子最大化 的阻尼板结构拓扑优化数学模型,并进行了灵敏度分析;利用优化准则法（Optimality
criteria, OC）,给出了阻尼结构拓扑优化设计方法和流程,得到了在一定阻尼材料用量下 阻尼板结构的模态损耗因子最大的阻尼材料最优分布构形。相关算例结果表明该方法适合于 阻尼结构的优化设计或轻量化设计。
     

基于频率的空间相机主体结构优化设计分析

通过对一连续体进行基于基频最大化的拓扑优化,得出主体结构的最优结构形式;对优化结果进行了有限元仿真计算,与传统设计方法所得的相机结构进行对比,基频稍有提高而质量有较大减小。结果表明:采用拓扑优化设计方法能够缩短设计周期,有效减小结构质量,提高了相机主体结构的动刚度,设计结果完全满足系统需求。     

一种卫星分步结构优化方法

在卫星结构设计中,为了在满足各种工况条件下有效实现减重,基于优化驱动设计的思想,文章提出了一种分步结构优化方法:第一步采用固体各项同性惩罚微结构法(SIMP)进行多工况下最小柔顺度的拓扑优化,通过将多工况下的优化目标加权,转化为单目标优化问题,优化求解得到最优构型;第二步,提取第一步优化方案的拓扑构型关键特征,以质量最小、整星结构基频最高为目标,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对形状和尺寸参数进行多目标优化;第三步,根据得到的形状尺寸参数,考虑实际加工和设计要求,经过人工修改迭代,得到最终设计。此方法应用于天拓-3卫星的支撑腿结构设计中,实现了考虑多工况的拓扑优化和多目标的形状尺寸优化。按照工程设计制造要求进行处理,获得的优化方案在满足各项约束条件下使支撑腿结构有效减重44.57%,整星结构基频提高3.97%,说明该方法具有较强的工程应用价值。     

一种在时域内计算三维翼颤振的方法

使用模态法构造结构模型,研究了在时域内耦合结构模型和气动模型预测三维翼颤振的方法;求解N-S方程计算非定常气动力.Newmark算法简化颤振方程.采用无限平面插值方法耦合结构网格和气动网格;使用弹性系数算法和局部网格重构法重构非结构气动网格,以确保结构方程和气动方程进行耦合求解.AGARD 445.6翼算例检验了计算方法的可行性.     

双推力室机架快速优化设计方法研究

针对双推力室发动机机架结构开展快速优化设计方法研究,包括模型参数化和结构的优化设计。通过2种不同工况机架实体和简化模型结构分析结果比较,验证了采用梁单元和MPC单元简化模型进行优化设计的合理性。自编程序直接生成包含机架结构布局和尺寸参数信息的有限元模型文件,解决了传统参数化设计中建模精度和时间对优化设计的制约问题。综合考虑强度、刚度和稳定性进行机架结构布局和轻质化优化设计,机架结构在满足各项约束条件下重量发生明显下降,优化设计收到理想的效果。     

液体火箭发动机管路断裂失效分析及动力优化

液体火箭发动机管路系统的安全性与可靠性已成为发动机能否安全工作的关键。针对某型火箭发动机管路断裂失效的问题,提出了管路的动强度失效分析方法与动力优化设计技术。通过机理分析与故障复现,提出了管路振动控制措施;以故障管路考核部位接头的前后倒角为设计变量,以倒角位置最低动应力为目标函数,采用结构频率禁区约束,进行动力学优化模型设计与基于形状优化的动强度优化设计;开展接头结构在基础激励下的随机振动疲劳损伤定量分析,改进方案最终通过了疲劳试验验证。结果表明,通过对管路结构的动力学优化,提升了管路结构的力学环境适应性与可靠性,验证了改进措施的有效性;所建立的结构失效分析、动力优化设计方法可为型号研制工作提供技术支撑。     

固体火箭发动机装药不确定性优化设计

介绍了不确定性优化设计思想和方法,考虑装药优化设计过程中推进剂性能参数不确定性,开展了固体火箭发动机装药不确定性优化设计研究。采用Powell方法和并行遗传算法组成的混合优化方法,提高了优化问题求解的效率和质量;采用Taylor级数一阶展开近似计算性能参数的均值和均方差,通过可靠性指数计算满足约束条件成功的概率。与确定性优化设计结果相比,不确定性优化设计结果更可靠、更稳健,为固体火箭发动机总体方案设计提供了更好的方法和手段。     

固体火箭冲压发动机导弹一体化遗传算法优化设计

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解，适合工程优化设计要求。研究以固体火箭冲压发动机为动力的导弹的冲仑方案设计，探讨采用遗传算法实现冲压发动机导弹一体化优化设计，给出满足战术技术指标的最优总体方案和冲压发动机方案。算例表明，遗传算法是用于固体火箭冲压发动机导弹一体化优化设计的很好的优化算法，通过一体化优化设计，可以提高冲压发动机和导弹的总体性能。