面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%~2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%~3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3~3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。      

试验设计法与BP-GA算法在复合材料结构优化中的应用

试验设计法具有均衡分散性和整齐可比性,通过试验设计进行响应面的样本选取可以大大减少样本的数目,同时保证响应面的训练精度。响应面与遗传算法相结合在工程应用中已经形成一套适用于复杂结构设计的高效优化方法。本文以复合材料加筋蒙皮的质量优化问题为例,通过正交试验进行响应面训练样本选取,通过PATRAN/NASTRAN进行有限元分析得出样本的数值,应用神经网络(BP)训练、构建优化的目标函数和强度、稳定性约束响应面,结合其他常规约束条件通过遗传算法(GA)进行优化,验证了这套算法的有效性和实用性。     

基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计

由于机动性和能耗的要求,飞机设计过程当中轻量化设计是十分重要的。经过亿万年的进化,在承受自身重量及生长环境的载荷过程中,生物体获得了适应环境的最优结构。通过分析蜻蜓膜翅和飞机机身加强框的结构相似性,提取决定蜻蜓膜翅结构优良力学性能的结构特征,将其应用到飞机机身加强框的设计当中,并用有限元工具验证了结构的优化效果。在同样的承载条件下,仿生型结构的比刚度比原型结构提高了2%~6%,比强度提高了1%~8%。同时,仿生型结构的最大应力减小,而最小应力明显增大,因此其应力分布更加均匀,从而体现了仿生结构件材料的优化分布和最大效能。     

Reduction in clamping force due to applied longitudinal load to aerospace structural bolted plates

The main purpose of the present work is to experimentally and numerically study why and how the magnitude of the bolt clamping force reduces in the aerospace structural bolted plates when they are subjected to a longitudinal tensile load. In the experimental method, a holed plate of aluminium alloy 7075-T6 was clamped using a single bolt fastener, and then tested under an increasing static longitudinal tensile load. The bolt clamping magnitude was determined by using the measured axial compressive strains of a steel bush placed between the nut and plate. Two clamped specimens with different initial clamping forces were studied. In each specimen the actual clamping forces were determined during the longitudinal loading on the plate. In the numerical method, a three-dimensional (3D) finite element model was generated in order to simulate and quantify the bolt clamping force in the plate model loaded in tension. Both experimental and numerical results showed that the clamping force reduces considerably in the aluminium bolted plates under the longitudinal tensile loading. This is because of the transverse contraction of the plate material that causes the clamped material to release from the initial compression, and as a result, the clamping force to relax.     

FATIGUE DAMAGE AND LIFETIME PREDICTION OF AERONAUTIC WELDED STRUCTURES UNDER HIGH TEMPERATURE

ＦＡＴＩＧＵＥＤＡＭＡＧＥＡＮＤＬＩＦＥＴＩＭＥＰＲＥＤＩＣＴＩＯＮＯＦＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＷＥＬＤＥＤＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＵＮＤＥＲＨＩＧＨＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＺｕｏＪｉａｎｚｈｅｎｇ，ＬｏｕＺｈｉｗｅｎ，ＫｕａｎｇＺｈｅｎｂａｎｇ（ＳｔａｔｅＫ...     

沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果,发现沟槽面的带条比较平坦,低速带条有较好的直线性,说明沟槽限制了流体的横向流动,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小,最多小30%,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小,但最可几概率增大,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨,得到的沟槽无量纲高度和间距为15～18的沟槽板有较好的减阻效果。     

交叉剪切混合层中拟序结构的数值研究

采用拟谱方法对时间模式的交叉剪切混合层进行了直接数值模拟。计算结果表明:与平面混合层一样,展向涡的拉伸作用是交叉剪切混合层中流向涡形成的主要机制。当展向剪切强度较大时(如两主流交叉角为40°),与初期展向KelvinHelmholtz相关的单向旋转流向涡在拉伸作用下很快增长起来,并“坍缩”成“肋状”涡。当交叉角为40°时,涡核区存在类似平面混合层中“方块状”涡的流向涡结构,展向涡辫区还存在一组符号相反的流向涡,不过与“肋状”涡对应的涡结构呈扁平状,始终没有“坍缩”。当交叉角为60°时,“肋状”涡非常强,以致完全抑制了平面混合层“对称模式”的发展。当交叉角小到20°时,流向涡结构更接近于对称分布,然而“肋状”涡却没有形成。另外,计算结果还证实:与二维混合层相比,大强度展向剪切的引入能够加强流场的混合,同时,适当增加展向扰动波初始强度和波数也是提高混合效率的有效手段。     

飞机结构件在当量环境谱下加速腐蚀试验和日历寿命估算方法

首次成功地进行了构件在当量环境谱下的加速腐蚀试验,取得了防护层日历有效期和基体腐蚀扩展速率;建立了一套由试验数据估算日历首翻期、日历翻修间隔、日历总寿命的方法和公式;提出了由使用中真实的腐蚀损伤数据来估算日历首翻期的方法;在构件加速腐蚀试验和使用中真实腐蚀损伤数据统计处理的基础上,给出了 HX型机群日历寿命。     

关节铰柔性多体系统动力学研究

针对关节铰柔性多体系统建立了Ｒ／Ｗ体系的动力学方程，并进一步推广到非树及约束型多体系统，本文采用适合描述弹性变形和进行弹性体离散的刚性连体浮动坐标系，用相对描述方法来分解部件的运动，用部件模态方法对弹性体进行离散，从达朗伯原理出发建立了Ｒ／Ｗ体系的系统动力学方程。方程对于运动的分解，部件的弹性离散以及对系统的结构描述都比较直观和简单，系统的广义坐标数目也小。方程推广到非树系统和约束系统后，采用奇异