结构优化设计的一种新方法——改进的可行方向法

本文提出了一种结构优化设计的新方法——改进的可行方向法。该方法计算简单、方便,一次调参幅度大,收敛快,重复的结构分析次数少,较之现有的各种准则法、可行方向法以及其它约束最优化方法有显著的优越性,特别适用于求解在多种载荷条件下,具有多个位移约束和应力约束条件的大型结构优化设计问题。     

一个飞机结构优化设计软件

本文根据有限元分析基础,研究薄壁结构在应力、位移、最小尺寸约束下结构最轻重量的优化设计问题。用Kuhn-Tucker(库恩-塔克)必要条件将多个位移约束简化为单一位移约束(称为最临界位移约束),建立位移约束下的优化设计准则.从而避免大批拉格朗日乘子的计算,并结合满应力优化设计准则,形成了在有效约束界面逐步逼近最优设计点的方法——包络法。用某型飞机后机身一段优化设计作为本文的实际应用,得到令人满意的结果。     

高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构设计优化（英文）

为满足直升机传动系统对复杂工况下齿轮轻量化设计的迫切需求,提出了一种高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构的设计优化方法。基于考虑应力约束的变密度法,对锥齿轮辐板进行了拓扑优化与重构,得到一种新颖的突破传统构型的高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构。在传统粒子群优化（Particle swarm optimization,PSO）算法的基础上,引入马尔可夫链和进化因子,自适应地选择跳变策略和延迟信息,进而发展了智能先进的时滞跳变粒子群优化（Switching delayed PSO,SDPSO）算法,并将其应用于斜向支柱锥齿轮辐板结构的尺寸优化。优化后,锥齿轮辐板质量共减小了19.24%,所有工况的最大von Mises应力共减小了7.27%,各工况应力分布更加均匀,证明了所设计的锥齿轮辐板的结构优势和所提出的设计优化方法的先进性。     

基于全局应力约束的渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法的基础上,提出一种考虑结构全局应力约束的改进方法。根据第四强度理论,将应力约束进行全局化处理,将应力约束问题转化为应变能约束问题,进而在灵敏度分析中,使用应变能灵敏度来代替应力灵敏度,避免了应力灵敏度计算的困难。最后,给出了本方法的具体实现步骤,通过2个数值算例表明了该方法的可行性和有效性。     

多工况下机翼结构优化设计方法研究

从工程实际需要出发,提出了一种考虑了位移约束、应力约束与稳定性的机翼多工况优化方法。将多工况问题转化为多约束问题,对各种约束进行合理分类,利用最大约束法对约束进行合理的消减,使用复合形法对结构进行优化。算例结果表明,所提方法可行,结果正确,对加快结构优化技术的实际工程应用有着很高的价值。     

非确定结构系统区间分析的直接优化法

工程中的非确定性问题可以用区间分析、随机理论或模糊集理论进行求解。本文采用区间分析法来处理结构静力分析和设计中的不确定性问题。将结构系统中的不确定性参数用区间数来表示,用有限元法建立系统的控制方程。该控制方程是线性区间方程组。本文讨论了一些求解区间线性方程组的方法并提出了一种直接优化法。将方程组中的所有区间数都作为设计变量,区间量的变化区间作为相应的设计变量的边界约束,运用约束优化法求出方程组解的各元素的最大值和最小值。文中给出了两个算例,列出了本文算法与其他算法的结果比较     

频栅约束的结构优化设计方法及在桨叶设计上应用

本文利用动力优化准则法的基本方法,提出“频栅约束”(多个带状区间频率约束)条件下离心力场中结构优化设计的工程方法。同时提出多频率修正公式。开且应用这个方法对Y-2直升机金属桨叶和复合材料梯形桨叶进行了频率优化设计,取得满意的结果。     

含孔层合板剩余强度估算的应力场强法工程简化模型

开孔的存在会显著地降低复合材料结构的强度。基于应力场强法的思想,提出了一个预测含圆孔复合材料层合板剩余强度的工程简化模型。采用大量试验数据,对本文提出的应力场强法模型与其他典型的特征距离法模型进行了评估分析。结果表明,应力场强法和平均应力准则法预测能力要优于点应力准则法和损伤区域准则法,应力场强法预测值与试验吻合程度略优于平均应力准则法。     

对桥壳非线性问题的近似线性优化

把均匀设计的思想引入驱动桥壳的非线性分析试验,用均匀设计表安排分析试验,结果显示主体区的应力和位移有显著的线性关系,最后用线性优化软件来完成了优化,应力集中明显减弱。     

飞机结构多层次优化设计技术及COMPASS

主要介绍COMPASS的主要功能和关键技术。COMPASS作为一个多学科优化设计软件系统,分全机、翼面和壁板三个层次进行优化,综合满足气动、气弹、强度、刚度、振动稳定性和重量等要求。首先,利用最优准则法(满应力/应变法)处理强度约束获得全机结构的最佳尺寸,并提出了以分层厚度为设计变量、以应变能原理为基础的复合材料二级优化方法;其次,利用数学规划法对翼面结构进行满足刚度、振动、颤振和静弹等要求的多约束优化,并且能够对机翼进行气动弹性剪裁和载荷弹性修正;最后,对加筋壁板进行稳定性分析和优化设计,寻找满足稳定性要求的最佳型材类型和截面尺寸。大量工程应用表明,COMPASS方法准确、技术实用、设计效率高,是飞机结构概念设计和初步设计阶段非常有效的设计手段。     

基于MSC．Fatigue的捡膜弹齿疲劳寿命分析与优化

应用MSC.Fatigue疲劳分析软件,对捡膜弹齿进行强度和疲劳寿命分析,得到捡膜弹齿的应力云图和疲劳寿命云图,通过仿真分析,找出捡膜弹齿折断的原因,并进行优化,为捡膜弹齿的设计提供理论依据。     

基于MSC. Fatigue的捡膜弹齿疲劳寿命分析与优化

应用MSC. Fatigue疲劳分析软件,对捡膜弹齿进行强度和疲劳寿命分析,得到捡膜弹齿的应力云图和疲劳寿命云图,通过仿真分析,找出捡膜弹齿折断的原因,并进行优化,为捡膜弹齿的设计提供理论依据.     

飞机舵机作动器局部应力与疲劳寿命分析

通过有限元分析软件ANSYS Workbench对飞机舵机作动器进行了力学分析建模,通过引入非线性接触设置模拟了作动器筒体的实际工作的接触效应,分析了结构在复杂工作状态下的局部应力分布,并且根据第四强度理论校核了结构的静强度设计;然后,在静力分析的基础上,根据第一强度理论确定结构的疲劳危险点,并结合名义应力法和线性累积损伤理论估算了结构在设计疲劳谱下的疲劳寿命。本文的分析流程可以给工程设计单位在处理类似复杂航空结构的静强度与安全寿命设计问题方面提供参考。     

冲击作用下薄壁结构动态响应的一种计算方法

针对有内部弹性约束的内置式旋成壳体弹性结构系统,按照舱段法构成了其线性动态模型。完成了在冲击载荷作用下结构中出现的过载与内力计算,指出了通过利用隐形离散算子的振动方程,直接积分法有效使用的可能性。     

用序列二次规划作复合材料结构的优化设计

本文介绍用序列二次规划进行金属与复合材料的薄壁混合结构,在给定拓朴、几何外形和材料组成条件下的最轻结构设计。以有限元素法为分析手段,元素为金属及复材的杆膜元,取板厚、杆截面尺寸及复材的各向铺层的层数为设计变量。这里主要介绍位移及工艺尺寸约束下的最轻重量设计,对于其他的复杂约束其基本原理和方法是类似的。 序列二次规划作结构设计的主要优点在其工程应用价值。它的重分析次数少,从本文的实例中可以看出它比最佳准则法解大型的命题时重分析次数约少40～50％;并且可以统一处理各种不同类型的约束,这对大型复材飞机结构的优化设计,无疑有着很大的经济效益。     

复合材料结构强度的几个问题

本文从工程实际观点出发,考虑复合材料结构的特点、复合材料结构和金属结构之间的差异,讨论几个实际问题:复合材料结构的一种可能的铺层设计方案;复合材料结构的统计分析与可靠性设计;强加筋件加强的加劲圆柱壳稳定性;强度准则与断裂准则。给出几个有益的建议。为了加快工程应用步伐,应该紧紧围绕设计工程问题,以板、壳正交异性问题为主,开展工程性的理论和实验研究,特别要注意力学性能和较大模型件的实验研究。为减少结构初应力,应尽量采用对称铺层设计。     

工程构件疲劳寿命估算的三维临界域法

临界域法将缺口附近区域中某点、线或面上的应力特征值作为材料失效的判断条件,能较合理地解释缺口效应现象,因此被认为是一类具有工程应用前景的缺口件疲劳寿命估算方法。本文首先结合三维工程结构的实际特点,详细阐述了适用于三维结构的应力场强法和临界距离法,对其中若干参数进行了准确定义和描述。然后,本文分别使用这两种方法和名义应力法对某型航空发动机轮盘进行了疲劳寿命估算。结果表明,本文给出的适用于三维结构的应力场强法、临界距离法能很好地预测航空发动机轮盘的疲劳寿命;而且相比于名义应力法,预测效果更好。     

以频率为目标函数的结构优化设计

本文采用优化准则法的基本方法,研究了以频率为目标函数的结构动力优化法,普把它应用到直升机的结构动力优化设计上。这种方法除可用于直升机的动部件外,还可用于风力机、机械和船舶的结构动力优化设计上。     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

冲压空气涡轮系统结构协同优化

针对冲压空气涡轮系统,首先分析了结构在贮存场景和工作场景下的载荷工况,然后对各工况下的约束进行数学建模。基于敏感性分析方法发现,冲压空气涡轮结构方案设计中的关键设计变量包括支撑臂、收放作动器、舱门连杆的内外径以及它们之间的连接点位置。之后,建立了冲压空气涡轮系统结构的动态松弛协同优化模型。该优化模型中,首先针对贮存场景和工作场景分别进行考虑多工况约束的结构优化,然后在系统级借助动态松弛因子进行优化变量的协调。最终,本文在Isight多学科设计优化软件中实现相关仿真分析、工具集成和优化求解。基于动态松弛的协同优化方法,本文将冲压空气涡轮的结构重量优化至初始重量的87%,优化效果显著。