Towards intelligent design optimization: Progress and challenge of design optimization theories and technologies for plastic forming

Plastic forming is one of enabling and fundamental technologies in advanced manufacturing chains. Design optimization is a critical way to improve the performance of the forming system, exploit the advantages of high productivity, high product quality, low production cost and short time to market and develop precise, accurate, green, and intelligent (smart) plastic forming technology. However, plastic forming is quite complicated, relating to multi-physics field coupling, multi-factor influence, multi-defect constraint, and triple nonlinear, etc., and the design optimization for plastic forming involves multi-objective, multi-parameter, multi-constraint, nonlinear, high-dimensionality, non-continuity, time-varying, and uncertainty, etc. Therefore, how to achieve accurate and efficient design optimization of products, equipment, tools/dies, and processing as well as materials characterization has always been the research frontier and focus in the field of engineering and manufacturing. In recent years, with the rapid development of computing science, data science and internet of things (IoT), the theories and technologies of design optimization have attracted more and more attention, and developed rapidly in forming process. Accordingly, this paper first introduced the framework of design optimization for plastic forming. Then, focusing on the key problems of design optimization, such as numerical model and optimization algorithm, this paper summarized the research progress on the development and application of the theories and technologies about design optimization in forming process, including deterministic and uncertain optimization. Moreover, the applicability of various modeling methods and optimization algorithms was elaborated in solving the design optimization problems of plastic forming. Finally, considering the development trends of forming technology, this paper discusses some challenges of design optimization that may need to be solved and faced in forming process.     

面向代理模型的机翼变形计算方法

按照机翼结构设计的原则,对内部结构还未确定的机翼提出了一种通用的变形计算方法。机翼的平面形状可看作由多个梯形组成,机翼弯曲变形为三次函数,扭转变形为一次函数。只要给定翼梢挠度与扭转角,即可计算机翼变形情况下的几何模型,使代理模型能够预测变形后机翼的气动载荷分布。文中给出了两个实际机翼的算例。算例结果表明,本文模型预测的变形与实际结构有限元分析给出的变形吻合较好。     

连接器支架结构优化设计分析

某型连接器支架普遍出现断裂现象,经判断原因是动强度设计不合理,在振动载荷作用下发生疲劳破坏,为了确保支架不出现结构损伤,保证飞行安全,需要进行结构优化设计分析。基于克希霍夫理论,采用有限元分析手段,通过改变厚度、材料与结构形式的方法,对支架进行模态分析与随机响应分析,最终得到了在满足动强度设计要求的情况下质量最轻的支架。根据分析结果总结了一种结构优化设计分析的流程:先改结构形式,用相对系数判断优劣;再选疲劳性能好的材料;最后选择合适的厚度。该流程在本文中得到有效实施,可在今后用于相似结构的优化设计分析。     

DynamicCharacteristic Analysis and Flight Control LawDesign of UAV Zero Length Launch

针对如何提高无人机零长发射安全性的问题,以某型无人机为研究对象,对火箭助推起飞阶段受力情况进行分析,并考虑火箭脱落前后质量和重心变化影响,建立其动力学模型。仿真研究了发射角、火箭冲程、火箭安装角和火箭推力线偏差等发射参数对发射动态过程的参数影响敏感性。设计了基于姿态控制增稳的起飞控制律和控制策略。仿真结果表明,选择合适的发射参数并严格控制火箭安装偏差范围,在此基础上,尽早启动舵面参与姿态控制可明显改善发射姿态,提高非标状态下零长发射安全性。研究结论可为无人机零长发射起飞提供技术支持和依据。     

铰链式下垂前缘机构设计与动力学仿真研究

下垂前缘是一种结构简单的增升装置,能够有效降低气动噪声,减小机构的运动空间,已被应用于A380和A350XW。为了实现下垂前缘按照给定要求定轴转动,需要设计一种机构型式,因此提出一种基于四连杆形式的铰链式下垂前缘机构的设计方法。根据设计输入要求建立下垂前缘机构的线架模型,并对该机构进行运动学和刚柔耦合动力学仿真,得到机构运动过程中角度变化参数和该机构运动过程中的驱动力矩和铰链点载荷。结果表明:随着驱动臂匀速转动,铰链式下垂前缘能够平稳下偏26°;两个驱动平面的最大驱动力矩的比值接近3∶2,且侧撑杆的设置使驱动处的横向受载得到了改善,该机构型式设计合理,为现代民用飞机设计提供了参考依据。     

基于DEA技术的装备研制设计评审优化方法

以飞机总体设计的评审为例,提出了基于DEA技术的飞机总体设计评审方法。首先,介绍了DEA的基本理论和应用步骤;然后,对输入、输出指标体系进行了确定和分类,并采用DEA Solver 3．0软件进行设计方案基于CCR模型的DEA有效性求解;最后,探讨了非DEA有效方案的改进方法、DEA有效方案的排序方法以及DEA最有效方案的优化目标。     

微型涡喷发动机燃烧室设计研究

设计了微型环型燃烧室,并对其燃烧过程进行数值模拟,同时根据模拟结果对燃烧室进行了优化设计及二次计算.计算中入口边界参数采用等熵数值计算结果,喷雾性能参数通过试验获得,考虑了湍流化学反应、热辐射、液滴的蒸发及二次雾化等情况,计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况.对优化设计前后的模拟结果进行比较分析,结果表明优化后的燃烧室设计合理,燃料可以充分燃烧,各项性能参数基本符合设计要求,能够为燃烧室的进一步优化设计提供改进依据.      

基于接触状态的叶冠预扭设计

针对某工程的实际问题,建立了叶片三维分析模型,应用谐波平衡法和时频转换法,分析了叶冠结构参数与安装状态下叶冠力学性能的关系,总结了叶冠几何参数对接触状态的影响规律;就叶冠接触状态与叶冠磨损之间的关系进行了讨论;基于接触状态的设计理论,提出了叶冠预扭设计基本思想和工程方法.     

用于微型涡轮机的节流孔式静压气浮轴承实验

对用于厘米级微型涡轮发动机的径向静压气浮轴承展开了实验研究,分析了长径比、节流孔径、气膜间隙及供气压力等对承载力、刚度和耗气量的影响.提出了这些设计参数的优选方法,并结合直径11 cm的某微型喷气发动机,给出了与之匹配的径向静压气浮轴承设计方案:工作面直径15 mm、长度17.5 mm、节流孔径0.35 mm、气膜间隙25μm.此方案在供气绝对压力2.5 kPa时,双轴承支撑能力为13.72 N,耗气量小于1.0 g/s,有效地满足了微型涡轮发动机要求.      

高超声速飞行器推进模块的设计参数分析

通过斜激波理论、准一维工程估算和特征线方法建立了一个与飞行器机体一体化的推进系统模块的气动分析模型,其中采用参考温度法估算模块的粘性效应。在此基础上分别研究了飞行器前体长度、前缘角及推进模块宽度等关键设计参数对推进模块气动性能的影响。结果表明:增大模块前体长度将使模块的升力、净推力和比冲先增后降;增加前缘角将增加升力,但降低净推力;增加模块宽度会导致等效升力下降。因此,在设计此类高超声速巡航飞行器时,应采用模块化的推进系统并折衷选择前体长度和前缘角的大小。