基于PRSEUS构型翼身融合机体结构多学科优化设计方法与应用

针对翼身融合(BWB)布局机体结构承载效率低、结构增重以及高后置背撑发动机带来的大载荷和舱内噪声等问题,基于新型材料和新型高效承载结构(PRSEUS),开展以提高结构承载效率和轻量化为目标,兼顾气动、噪声、振动及工艺等多学科约束的非常规圆截面机体结构多学科优化设计方法研究。基于自适应代理模型构建技术建立了机体结构气动、噪声子系统性能分析代理模型,实现了对机体结构气动载荷、噪声性能的预测,并将气动、噪声性能的基本要求转化为几何尺寸及力学响应等约束条件,从而把多学科问题集成到一套有限元分析模型,配合高效数学规划法,解决了多学科高精度模型分析耗时问题,实现了翼身融合机体结构的多学科优化设计。通过机体结构有限元分析验证,在满足各学科约束条件前提下,结构的承载效率得到较大幅度提升,中央机体结构减质率达到了8.7%。

直升机旋翼桨叶动力学/强度多学科优化设计

为解决板梁构型桨叶设计方案结构超重和疲劳寿命不足的问题,以旋翼桨叶剖面特性展向分布为设计变量,以桨叶频率配置、气弹稳定性和转动惯量为设计约束,组织多学科优化设计,实现减小桨叶结构重量,提高桨叶疲劳寿命并降低桨叶剖面动载荷的设计目标。取桨叶动载荷最大的高速前飞状态为设计点,采用文中构建的方法,成功实现了该桨叶的调频/减重/减振/提高疲劳寿命优化设计,优化后桨叶结构减重近10%,桨叶控制剖面的动应变降到许用值以下,满足了重量和疲劳寿命设计指标。

车身结构性能多学科优化技术研究及应用

汽车市场竞争日渐加剧,车身设计面临严峻挑战。在前期的车身结构平台设计时,需要同时考虑平台不同车型的车身碰撞,噪声、振动与声振粗糙度(NVH)以及强度疲劳性能设计。随着车身结构耐撞性设计难度加大,车身重量随之增加,性能和结构轻量化设计平衡难度加大。为了应对车身开发的种种挑战,文章研究基于车身结构性能多学科优化技术,在车身概念设计阶段贯穿仿真优化驱动设计的理念即结构性能一体化,快速实现重量增加最小前提下的性能指标,基于某运动型多功能车(SUV)的车型开发案例诠释了此技术的可行性,为后期的车身开发提供参考。

基于多学科优化的某乘用车制动盘设计

以某乘用车通风前制动盘为研究对象,将制动盘各主要结构参数作为制动盘优化设计的设计变量,以制动盘的单次制动温升、连续10次制动温升、热变形、模态和应力作为制动盘优化设计的约束条件,同时将制动盘的质量最小作为制动盘优化设计的目标,基于创建的响应面分析模型进行制动盘的多学科联合优化设计,为汽车制动盘的多学科联合优化设计提供理论依据和参考。结果表明,多学科联合优化后的制动盘仿真分析结果均同时满足要求,同时制动盘基于响应面分析模型进行多学科联合优化结果的误差值均在可接受范围内,表明制动盘多学科联合优化结果是可靠的。

电子设备多学科优化设计技术及其应用

多学科优化技术是有效提升电子设备综合设计水平的关键技术之一。结合电子设备多学科优化的技术需求,概述了电子设备多学科优化设计技术研究取得的相关成果,包括多学科建模技术、多学科优化策略及优化算法应用、优化流程定制及学科分层次优化关系建立技术等内容,通过多学科优化设计平台实际应用,实现了电子设备重量减轻,性能提高。

基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计

在汽车车身结构NVH和侧面碰撞安全性研究中,实施多学科多目标优化的可行性设计。通过试验设计制定试验方案并进行数据采样,构建考虑整车侧撞安全性、白车身模态、静态弯曲刚度、扭转刚度和轻量化等性能的响应面近似模型,然后对车身结构分别进行确定性和可靠性轻量化单目标设计。最后,运用多目标遗传算法结合多学科协同优化对车身结构进行多目标优化设计,获取Pareto最优化解集。研究结果表明:可靠性优化设计较确定性优化设计而言,能考虑产品设计和生产过程中的不确定性因素,保证产品稳健性;车身结构的多目标优化设计全面考虑了车身结构轻量化、NVH和碰撞安全性能等多学科之间的耦合和解耦;设计者可按需选择其满意的优化结果,这将大幅缩减产品开发周期、降低产品开发成本。

自适应粒子群优化的高压共轨燃油喷嘴多学科优化设计

为了确保高压共轨燃油喷嘴整体性能提高,以高压共轨燃油喷嘴雾化性能、压力损失为目标函数建立了多学科设计优化模型,并充分考虑各学科之间的耦合效应,采用自适应粒子群优化算法进行了多学科设计优化。结果表明:雾化性能提高了36.77%,压力损失下降了11.27%,整体性能提高了16.60%。

民机设计中的多学科优化和数值模拟

结合世界民机研制的历程,论述了未来民机产品的要求和应用先进技术的重要性。讨论了市场模式的变化,即要求航空工业界提供更高、更快和更远(技术驱动型)的产品转变为生产快、价格低而性能更好(市场驱动型)的产品。这种变化要求新的设计方法、工具和过程。传统的按序和迭代的飞机设计模式将逐渐走向新的更加综合性的、如虚拟产品或综合的产品和过程发展的设计方法。多学科优化设计是实现新的综合设计方法的关键技术。简要地讨论了此方法并介绍了工业界应用的要求。计算流体力学(CFD)起着推动走向综合设计过程的作用。详细说明了CFD对民机成功设计的中心作用,讨论了其分析和设计的功能,说明数值模拟是未来飞机设计和发展中的关键模型化和模拟技术,对于现代化的综合设计的成功应用是很重要的。

基于iSIGHT的多学科优化方法研究

多学科协同建模、仿真、优化是提高复杂产品设计质量的有效途径之一,针对在机构设计中过度考虑安全因素,导致材料浪费的问题,研究了在iSIGHT多学科优化平台上利用CAD/CAE学科软件搭建的装载机执行机构的多柔体虚拟样机模型。介绍了面向模型的多领域协同仿真技术及基于系统过程集成和命令文件解析的建模技术。应用多学科变量耦合优化算法有效地解决了子系统之间的耦合和并行优化设计。从结果分析中可以看出,用该方法有效地实现了装载机执行机构的轻量化设计。

转子式机油泵多学科优化设计

为了确保发动机转子式机油泵整体性能提高,以转子式机油泵泵油性能、质量以及抗冲击性能为目标函数建立了多学科设计优化模型,并充分考虑了各学科之间的耦合效应,采用自适应混沌优化算法对多学科设计优化模型进行了求解。多学科设计优化结果表明:转子式机油泵供油量增加了2.43%,质量减少了10.0%,位移变形减少了16.3%,整体性能提高了8.2%。优化前后转子式机油泵转子齿面交变有效应力对比试验结果表明:优化后机油泵齿顶所受最大应力降低至150 MPa左右,小于屈服极限。

亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。

多学科优化在后背门改进设计中的应用

在某SUV车型的背门模态分析中,背门1阶固有频率与发动机及路面的激振频率过于接近,这种情况会导致在日常行驶工况中车门产生共振,影响车门的NVH性能。本文中以对车门质量及1阶固有频率的灵敏度较高的几个构件的材料厚度为设计变量,采用最优拉丁方试验设计方法获得样本数据,并用响应面法构建了背门质量及1阶固有频率的近似模型,利用序列二次规划法对该两个近似模型进行多学科并行优化,在保证背门质量不增加的情况下,显著提高了背门的1阶固有频率。

基于多学科优化设计方法的白车身轻量化

建立某国产轿车的整车有限元模型,依据侧碰法规及NVH性能要求对白车身结构进行了多学科集成优化设计。根据侧碰及NVH仿真结果,选取白车身关键零件的板厚及材料为变量,以白车身质量和刚度为目标,以侧碰加速度及侵入量为约束条件,建立了白车身刚度径向基函数(RBF)神经网络近似模型及侧碰二阶逐次替换的响应面模型(Stepwise-RSM),利用模拟退火算法进行了多目标优化,在保证了车辆的安全及NVH性能的前提下使白车身质量下降了15.7 kg。

基于人工神经网络的多学科优化设计研究

多学科优化设计的两大难点是子学科间的信息交换和系统分析计算的复杂性。为此,在一致性约束算法和并行子空间算法基础上,提出了一种基于人工神经网络响应面的多学科优化设计算法,它是一种二级结构的优化方法,即学科层仅满足局部约束,系统层提供一种协调学科间冲突的机制,保证在相关变量和耦合变量上的一致性,使设计方案不断改进。通过某型号飞航导弹系统的优化实例,验证了算法的有效性。

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N-S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法(DOE)和响应曲面模型(RSM)技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。

基于粒子群算法的轿车车身多学科优化设计

轿车车身结构设计过程中,设计变量多、非线性强、学科间耦合关系复杂,常用的多学科优化策略和优化算法无法有效寻得可行的优化解。本文中针对此问题,基于灵敏度分析方法与数据挖掘技术,采用粒子群优化算法;结合加强协同优化理论,形成了基于改进粒子群算法的轿车车身多学科优化设计体系,并将其运用到车身侧围结构轻量化设计中。结果表明,在满足各项结构性能指标的前提下,实现减质量最多达14.6%。

基于全局优化算法的多学科优化计算构架

比较了MDF计算构架与分解类构架对多学科连续性约束的处理策略,并分析了MDF计算构架对多学科分析提出的计算需求。在此基础上,将多学科分析(MDA)的求解问题转化为全局优化问题,结合具有全局搜索特性的遗传算法和具有较好局部收敛特性的复合形法,建立了一种全局优化算法GACA,以满足MDA的计算需求。基于GACA,对MDF计算构架进行改进,建立了两级优化MDF计算构架BL-MDF。典型算例的计算结果表明,本文的计算构架具有较好的计算性能,同时算例也验证了本文对MDF与分解类计算构架的比较结论。

基于6σ稳健性的车门多学科优化设计

为了提高优化后车门性能的稳健性,结合有限元分析与试验验证,提出一种综合考虑质量、刚度与1阶振动模态的多学科优化设计方法——基于6σ稳健性的车门多学科优化设计方法。由于该方法综合了试验设计、径向基函数模型、蒙特卡罗模拟技术和自适应模拟退火算法等优势,与传统确定性优化结果相比,在获得近似最优解的同时能够提高设计变量的可靠性和目标函数的稳健性,大幅度提高产品质量。

微波天线多场耦合理论模型与多学科优化设计的研究

建立了微波反射面天线、平板裂缝天线及有源相控阵天线的多场耦合理论模型,并给出了相应的求解策略与方法,研究了系统误差、随机误差及温度等因素对天线电性能的影响,通过实验验证了模型及求解方法的正确性.最后,通过引入统一的设计向量建立了基于多场耦合理论的多学科优化设计模型,降低了设计工作的重复性,减少了后期的调试难度.

多学科优化集成设计框架

多学科设计优化 (MultidisciplinaryDesignOptimization—MDO)方法是解决复杂工程系统设计的有效方法 ,实施多学科优化方法的软件框架称之为多学科优化环境 ,介绍国内外在多学科优化集成设计框架的研究现状 ,以及我所正在开发的产品协同优化平台 (CoLlaborativeOptimizationVector CLOVE)。