基于机器学习的变刚度纤维增强复合材料最小化结构柔顺性优化设计

纤维增强复合材料层合板的变刚度优化设计,通过逐点优化纤维铺角的可设计性,从而匹配结构中应力状态的空间变化,更高效地发挥纤维增强复合材料层合板在强度与刚度性能上的方向性,为设计师提供了更广阔的设计空间与设计灵活度.然而,基于梯度类算法的传统复合材料变刚度优化设计,因其设计变量众多,不可避免地在结构分析与灵敏度分析中面临大规模计算的挑战.同时,结构在概念设计阶段存在载荷工况随机性问题,如何在初始概念设计阶段,针对随机载荷工况制定高效的设计方案具有重要工程价值.近年来,随着人工智能与高性能计算的快速发展,基于传统优化获得的数据集构建端到端的机器学习模型,为实现实时的复合材料变刚度优化提供了可能.文章采用反向传播(back propagation,BP)神经网络算法,建立了基于机器学习的纤维增强复合材料变刚度优化设计方法.首先,基于正态分布纤维优化(normal distribution fiber optimization,NDFO)插值格式,构建以最小化结构柔顺度为目标的复合材料变刚度优化设计模型,考虑载荷大小与方向的随机性,获得神经网络模型训练所需的样本集数据.其次,以最小均方误差(means square error,MSE)为目标函数,采用BP神经网络模型对样本数据集进行训练.最后,建立基于皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)、均方误差的模型评价体系,对生成的神经网络模型进行评价.数值算例讨论了含圆孔MBB梁与悬臂C型梁变刚度优化设计,详细阐述了基于机器学习的复合材料变刚度优化方法的实施过程,系统地对比了所提出的基于机器学习的复合材料变刚度优化与传统基于NDFO插值格式复合材料变刚度优化设计结果在纤维铺角轨迹和目标函数的差异,验证了本方法的有效性.

大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。

结构动力学拓扑优化局部模态现象分析

使用拓扑优化技术进行结构自然频率最大化设计时的主要问题是结构空洞区域可能出现的局部模态现象。采用刚度矩阵和质量矩阵求解动力学特征方程,通过算例分析了结构密度差异、惩罚因子对自然频率和模态的影响以及局部模态现象产生的原因。结果表明,由于实体各向同性材料惩罚函数法(SIMP)使用了指数惩罚因子,空洞区域的密度与刚度差异远远大于实体区域,导致空洞区域局部模态的产生。分析了局部模态的产生过程,给出了结构自然频率和模态相对实体-孔洞区域密度的比值以及惩罚因子的变化趋势。同时,基于传统体胞微结构均匀化等效模型方法,提出了描述结构空洞区域的多种体胞微结构,计算证实这些微结构形式均可有效地避免局部模态的发生。

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 。

航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用

本文以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况，并对其发展前景进行展望。文中选择了国内外两个代表性设计进行了详细分析，以作为具体航空航天多组件结构系统设计的参考和对照。

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用。为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法。基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值。同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应。采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元。利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题。利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析。最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解。

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。

增材制造316钢高周疲劳性能的微观力学研究

由于增材制造逐层累积的工艺特点,其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料.在航空航天、核工业以及医疗领域中,对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用,这制约着增材制造技术的进一步推广使用.本文以增材制造316钢为对象,通过仿真手段研究其高周疲劳性能,研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因.根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能,其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为.为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能,本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响.最后,为了验证所提微观力学模型的有效性,本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果.与实验结果相同,仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.

现代形状优化技术在航空发动机零部件设计中的应用

技术回顾 随着计算机辅助技术与数值分析技术的发展,现代结构优化设计方法在飞行器结构设计中的应用日新月异.从20世纪五六十年代开始,面向飞行器结构特征、研制过程和设计理念,先后发展出了尺寸参数优化、形状优化和拓扑优化多种结构优化设计模式.其中,形状优化是一类通过设计结构的几何外形(如结构轮廓、开口、孔洞、倒圆等)来改善结构力学性能的重要技术手段[1-2].

面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题

围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求,着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理,以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面,阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。

航空发动机柔性部件结构的热力耦合优化设计技术

先进结构优化设计的发展为发动机复杂结构系统的设计开辟了新的有效途径，满足复杂系统的多准则设计需求与综合性能指标要求，并达到缩短设计周期，降低研制成本特别是试验成本的目的。

基于多点自由度约束的方向性保形拓扑优化设计方法

保持飞行器气动面、功能面等型面的精确外形是飞行器刚度设计的重要内容.为控制飞行器结构局部区域的翘曲变形模式,抑制特定方向上有害的翘曲变形,提出考虑结构方向性保形约束的拓扑优化设计新方法.一方面,引入由保形区域内有限控制点生成的人工附加弱单元(artificial weak elements,AWEs),使控制点各自由度位移通过多点自由度约束(multi-point constraints,MPCs)传递到AWEs上,约束AWEs的变形能可以实现对保形区域翘曲变形的抑制;另一方面,合理配置多点自由度约束,将需要抑制的特定方向上自由度耦合到AWEs上,从而实现方向性保形优化设计.数值算例证明所提出的优化设计方法能在结构刚度拓扑优化设计的基础上实现对局部保形区域在特定方向上翘曲变形的有效控制,与已有约束所有自由度翘曲变形的保形拓扑优化设计相比,方向性保形优化设计在变形控制效果上更加具有灵活性.

太阳能水源热泵的建筑适用性研究

太阳能水源热泵系统是一种新型高效节能环保的系统,太阳能与热泵联合供暖可以发挥各自的优势,弥补单一形式的不足,提高采暖的稳定性和系统运行性能。针对我国太阳能水源热泵建筑适应性问题,以哈尔滨、北京、上海的气象数据库作为基础条件,分析了典型建筑热负荷特征,建立系统数学模型,并用TRNSYS平台进行优化求解,为适用性研究提供了必要的数据基础。依据寿命周期评价理论,对各地区太阳能水源热泵建筑适用性进行分析,结果表明严寒地区及寒冷地区太阳能水源热泵适用性较好,环境效益明显。

室外交通污染物对临街建筑室内环境的影响分析

采用计算流体动力学(CFD)模拟和CONTAM模型结合的方法,分析室外典型交通污染物CO对临街建筑室内环境的影响。结果表明,来流风向、建筑间距和建筑排布形式均对临街建筑室内CO浓度分布产生影响。来流风向角(θ)为15°时,室内CO浓度最低,而θ为45°时,CO浓度最高;随着建筑间距增加,室内CO浓度不断降低;交错排布的建筑形式下,室内CO浓度明显低于对称排布的建筑形式。临街建筑室内CO浓度逐时变化与室外街道峡谷内车流量变化保持一致。

三维街道峡谷内气流结构和污染物分布的研究

选取三维街道峡谷为研究对象,采用CFD模拟的方法,从来流风速、来流风向、建筑间距、排布方式四个方面,分析三维街道峡谷内的气流结构和污染物的分布情况,结果表明,增加来流风速对街谷内污染物的扩散是有利的,但街谷内的气流结构和污染物的相对分布则不会改变;来流风向的变化对于街谷内气流结构改变较大,同时也对污染物分布有显著影响;随着建筑间距的增加街谷内污染物浓度呈下降趋势,街道污染物对临街建筑的影响取决于不同间距下街谷内的气流结构;不同建筑排布形式下街谷内的气流结构和污染物分布存在明显差异,交错排布相比对称排布而言更不利于街谷内污染物的扩散。

建筑遮阳对建筑空调采暖能耗的影响分析

针对建筑遮阳对建筑能耗的影响问题,以数值模拟为研究手段,选取具有代表性的建筑南向水平遮阳进行研究,采用控制变量法分别分析不同气候区的不同窗墙比、不同窗户类型、不同遮阳板长度对建筑空调采暖能耗的影响,得到了五个气候区建筑南向窗墙比、窗户遮阳系数和水平遮阳板长度对建筑空调采暖能耗的影响规律,找出了五个气候区建筑南向窗墙比、窗户类型、水平遮阳板长度之间合理的匹配关系,对建筑的节能设计起到了重要的指导作用。

循环对称结构静力学渐进拓扑优化设计

采用双向渐进结构优化方法(BESO)研究循环对称结构拓扑优化设计问题。循环对称结构的几何特征无法划分为均匀一致的网格,造成单元灵敏度计算结果与单元体积直接相关,不同网格剖分后的单元体积分布将导致渐进优化过程中不同的单元去除顺序,最终使得优化结果具有单元体积依赖性。针对循环对称结构的特殊性,提出灵敏度密度新概念与消除非等体积单元棋盘格现象的体积加权灵敏度密度过滤新方法,大量算例表明这是一种有效的方法,同时优化结果也充分显示子结构单胞尺寸效应对优化构型的显著影响。

六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G13相对于材料体分比v、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G--A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性.结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果.此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.

动力响应约束下的结构拓扑优化设计

以动力响应为性能设计指标的结构拓扑优化设计技术在航空航天和汽车工业等领域具有重要的应用价值。研究白噪声激励力作用下以结构减重为设计目标、指定位置的均方响应为约束的拓扑优化设计问题。为了消除动力学设计中易出现的局部模态现象,通过在伪密度方法中引入有理近似材料属性模型,建立设计变量和材料属性以及设计函数之间的关系。优化过程采用频域分析方法求解系统均方响应。推导均方响应的灵敏度求解表达式,并利用单元的各阶应变能和动能公式简化系统圆频率和振型的灵敏度求解格式。采用凸线性近似对偶优化算法求解优化模型。列举的3个典型拓扑优化算例验证了所提出的方法的可行性、相对优势以及解决复杂问题的可靠性。

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题.通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应,分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型,有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题,并通过引入附加静位移约束,获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律,验证了该拓扑优化模型的有效性.