模块化可重构无人机机翼结构优化方法研究

模块化可重构无人机设计工况复杂、约束多样,需要根据不同设计思想的特点研究适用的优化方法才能得到最优方案。针对多模型的同步优化方法开展研究,给出不同构型机翼翼根弯矩约束方法,提出多构型机翼结构前后梁弯矩比例约束下的同步优化方法,并以某模块化可重构无人机机翼为对象进行应用验证。结果表明:与文献中模块化机翼优化结果相比,本文多构型机翼结构同步优化方法在解决整机翼更换的模块化可重构机翼结构优化问题时具有较高的适用性和收敛性以及广阔的工程推广价值。

基于等基因序列双重随机遗传算法的复合材料铺层优化

复合材料铺层优化中常用的各种遗传算法较难同时综合考虑表面45°、分层比例、连续铺层数限制等复杂工程约束问题,基于此,提出一种针对复合材料层压板的等基因序列双重随机遗传算法,在交换和突变算子中引入双重随机算法以保证优化迭代中基因序列的严格相等,基于SABRE软件实现该优化算法,并通过算例验证算法的正确性。结果表明:该算法可满足均衡性、对称性、表面45°、连续铺层数限制、铺层比例等复杂工程约束,有较高的可靠性与工程适用性。

超大规模变量结构敏度求解技术研究

针对超大规模变量结构优化中的敏度求解问题,深入系统地研究了全解析法高效位移敏度求解理论,推导了壳单元微分刚度矩阵的解析表达式,引入虚位移法解决了结构刚度矩阵求逆运算,进而给出了位移敏度全解析表达式。采用科学高效的程序流程组织方法在HAJIF系统平台上开发了超大规模变量结构位移敏度快速求解模块。与差分法和半解析法的对比结果表明:本文算法敏度结果具有较高的可靠性;超大规模变量位移敏度算例测试表明本文算法效率约为差分法的70余倍,敏度结果一致性较好,所开发的模块能够高效可靠的解决超大规模变量位移敏度求解问题。

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。

细菌群体感应及其干扰策略的研究进展

群体感应(QS)广泛存在于细菌中,是细菌根据细胞密度变化调控基因表达的一种机制。许多植物病原菌依赖QS调控致病基因和毒性因子的表达,导致植物发病,因此通过抑制QS效应就为控制细菌病害提供了一种有效的方法。目前发现许多途径可以干扰细菌的QS,如:产生可使信号分子降解的酶,产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋白竞争结合来阻断病原菌的群体感应,利用QS中信号分子来诱发寄主抗性。系统阐述了细菌QS及其干扰策略。

基于MPI的大规模变量结构优化技术研究

针对大规模变量结构优化问题,研究了基于虚载荷法的位移敏度求解理论,提出了惩罚函数随优化迭代次数自适应变化的二次扩展内罚函数法,并结合牛顿法作为优化算法。采用MPI并行技术实现了敏度求解的局部并行计算,解决了大规模变量结构优化技术中的规模和效率问题。采用FORTRAN语言在HAJIF2013系统上对上述方法编程实现,实例表明,优化方法能够快速、稳定收敛到最优解,以及基于虚载荷法的位移敏度解析求解理论的高效性和准确性。

一种基于解析敏度的结构多约束优化技术研究

敏度求解是优化设计中最重要且最耗时的环节之一,目前解析法是效率和精度最高的敏度计算方法,但限于其理论复杂性而被商软所摒弃。通过深入系统的理论推导,突破了应力/应变敏度全解析求解难题,并通过引入自适应减缩因子,实现了数学规划法的加速收敛。结合作者前期已经研究完成的位移敏度求解理论,组织了基于解析法的可同时考虑强度和刚度约束的结构多约束优化流程,并以航空结构强度分析与优化系统(HAJIF)为软件平台,采用FORTRAN语言开发了结构多约束优化模块。通过工程机翼的多约束优化案例表明了上述算法稳定性和高效性,优化结果也具有较强的工程实用性。

一种改进的自适应遗传算法及其在层合板优化中的应用研究

针对传统遗传算法早熟与收敛性差的问题对遗传机制提出了改进策略,实现了选择概率和变异概率的自适应。研究了在ABAQUS平台下对层合板实施以稳定性为优化目标的优化设计技术,使用Python语言编写了改进后遗传算法的优化程序、ABAQUS参数化建模程序和有限元分析后结果文件搜索程序,通过算例计算得到了层合板实现最大特征值的优化铺层顺序,结果表明与简单遗传算法相比,改进后的方法最优结果一致性较强,收敛速度较快,可行性高。

巴斯德毕赤酵母表达系统的研究进展和前景展望

巴斯德毕赤酵母经过近二十来年的发展,已经成为表达外源基因的优秀表达系统之一,成功地表达了许多重组异源蛋白。从表达菌株,表达载体等方面详细综述了毕赤酵母表达系统的优点,如:营养要求低、可高密度发酵、遗传稳定性高等;分析了可能影响巴斯德毕赤酵母表达系统的相关因素,这些因素包括外源基因的特性、基因拷贝数、产物稳定性及发酵策略等,结合这些因素和具体实践经验,就如何提高外源基因在巴斯德毕赤酵母中表达量进行了阐述;讨论了该表达系统存在的不足之处并且展望了其发展前景。

复杂布局机翼结构多约束优化设计

机翼结构需要同时满足强度、刚度、气弹和设备安装等要求,布置多个外挂设备的机翼结构设计约束更加复杂,传统方法难以得到最优方案。本文提出了通过约束机翼剖面弯曲刚度和扭转刚度来控制气动弹性的方法,研究了稳定性和位移敏度计算理论,结合工程准则法和数学规划法,搭建了适用于复杂布局机翼结构的多约束优化流程,以国产结构分析软件HAJIF为平台进行了程序实现,并结合工程机翼案例进行了方法验证。优化结果表明,本文方法能够以静力分析模型为基础,同时考虑强度、刚度和稳定性等多种约束形式,在有限计算机时内给出最优设计方案,具有一定的工程应用价值。

航空结构大规模并行分析与优化应用

针对飞机设计精细化数值分析模型自由度已经达到亿级,对高性能计算的要求也越来越高的问题,围绕大规模并行计算环境下结构分析和优化的若干关键问题,研究满足高性能计算体系特点的区域分解并行算法、超大规模结构变量敏度高效求解和结构非线性振动特性求解等关键技术.对国产CAE软件HAJIF进行并行化改造,初步实现基于最大航程的气动结构综合优化设计和基于精细化模型的复合材料机翼综合优化设计.HAJIF的计算效率和精度得到明显提高.

含圆形脱粘缺陷复合材料夹层结构侧向压缩破坏载荷与破坏模式分析

为分析含脱粘缺陷复合材料夹层结构侧压破坏载荷与破坏模式,采用损伤起始判据和损伤演化准则模拟面板与胶层的损伤及破坏过程,建立了考虑材料失效的三维渐进损伤分析模型。针对两种典型复合材料夹层结构,基于所建立的模型完成了破坏载荷预估和破坏模式分析,并将有限元分析与试验结果进行了对比。结果表明:面板较弱时,中部含圆形脱粘缺陷夹层结构侧压破坏模式通常为材料失效压缩破坏,随着载荷的增加,面板中部及脱粘区域周围发生损伤并沿板宽度方向向两侧扩展,直至材料完全损伤发生破坏;面板较强时,侧压破坏模式通常为整体失稳破坏,屈曲后结构基本不再具有继续承载的能力而迅速发生破坏。分析结果破坏载荷预估值与试验吻合较好,破坏模式与试验结果一致。

结构动力学与颤振约束下无人机机翼优化设计

提出了同时考虑结构动力学约束和颤振约束的优化设计方法,建立了利用规划优化算法求解问题的流程,并将其融入大型CAE软件系统HAJIF2013中,研究了优化问题中目标函数和约束条件的选取方式。以某型无人机机翼颤振模型为算例,利用拉盖尔迭代方法自动计算颤振速度,并对优化算法的有效性进行了验证。研究表明,所提出的优化设计方法有效,实现了整个优化求解流程的自动化,对工程设计具有指导意义。

复合材料车体蜂窝夹层结构强度分析技术

以某地铁项目复合材料车体结构为研究对象,分析车体结构的关键部位门角、窗角为研究对象,针对此次车体结构特征,建立了蜂窝夹层结构强度分析的方法与流程。对蜂窝夹层板结构分别从总体屈曲、剪切皱曲、蜂窝格间屈曲以及夹层板面板皱曲进行校核。此外,对刚度较小的蜂窝夹芯的剪切强度进行单独校核,所得强度分析结果为结构设计提供可靠依据。

基于有限元的起落架装置结构分析和优化

本文针对飞机前起落架装置开展了基于有限元法的分析和结构优化工作,探索了基于有限元法的结构分析与优化技术,并进行了起落架结构的应用研究。在初始起落架三维模型基础上,进行起落架静强度分析与优化,建立基于数学规划法的优化模型,得到强度、刚度都满足要求的起落架模型,实现了一套相对完整的飞机起落架结构分析和优化流程,为以后起落架分析与优化理论提供一定参考。

大规模优化设计在HAJIF系统中的实现

针对分析模型精细化带来的大规模变量结构优化设计问题,深入系统地研究了大规模结构优化设计求解理论,并在HAJIF(航空结构强度分析与优化设计软件系统)中予以实现。HAJIF是一个十分有用的分析及优化软件,然而随着工程问题的日益庞大,该系统表现出设计规模受限的技术瓶颈,从而限制了它的广泛应用。本文通过一系列的理论改进突破了HAJIF系统中的一些关键问题,使得当前系统可处理设计变量达到10万量级。这些方法包括约束删除、约束区域化、变量处理、敏度分析等。

具有工程适用性的复合材料机翼结构快速设计

为实现复合材料层合板的快速设计,从工程适用性角度出发,提出了面向铺层厚度/铺层顺序的快速设计流程。首先,基于满应变设计方法对复合材料分层厚度进行优化设计,得到各分层的厚度比例。然后,采用相对差商法实现分层厚度的圆整,各分层在圆整之后为单层厚度的整倍数。最后,基于工程材料数据库对铺层顺序进行设计。利用某无人机复合材料机翼对本文提出的设计流程进行了验证,结果表明,机翼减重6.7%,最大变形下降了3.3%,层合板的设计效率明显获得了提升。

满足刚度约束的筒形机身防火墙结构设计研究

通用飞机机身防火墙结构用于隔离发动机舱与驾驶舱,当结构发生变形时,必须保证防火墙结构不与发动机等重要组件发生空间干涉。为满足防火墙结构苛刻的设计要求,以某筒形机身结构为研究对象,通过分析增压工况下结构的整体刚度/强度特性,确定防火墙结构的变形特性,并在不满足结构刚度约束的条件下,对防火墙结构进行了尺寸及布局设计。结果表明,相对初始构型而言,尺寸设计无法满足刚度约束和重量要求,而采用辐射状筋条布局形式可大幅度地减小变形。

基于HAJIF系统的复合材料机翼结构优化

复合材料是高度各向异性材料,其结构设计和分析方法等与金属结构存在诸多差异。尤其在复合材料结构优化过程中,强度、稳定性等设计因素众多,导致结构优化设计工作繁琐、优化效率不高。对于需要考虑大量强度约束的复合材料机翼结构初步设计,如何快速获取初始铺层方案成为制约复合材料机翼结构设计的关键之一。针对复合材料机翼结构初始方案快速获取的问题,构建了基于“设计区-关键元”思想的复合材料机翼结构二级优化设计方法,以层合板理论为基础,引入复合材料许用值工程算法,基于工程准则法,构建了复合材料铺层厚度及铺层比例的二级优化策略,基于自主结构分析软件HAJIF系统的有限元求解器,提出了基于全内存数据存取的复合材料结构二级优化方法,完善并开发了复合材料结构铺层优化设计软件。考虑典型复合材料机翼各个设计区强度约束,应用开发的软件完成了机翼结构复合材料壁板铺层厚度及铺层比例快速优化,为机翼精细化设计提供了技术及工具支撑。

大展弦比无人机翼梁结构刚度优化设计

以某型无人机翼梁结构为研究对象,应用结构拓扑优化设计技术对其进行刚度优化设计。将翼梁腹板划分为多种不同的拓扑优化设计子区域,以结构刚度最大化为设计目标,考虑子区域材料用量、结构强度、翼尖变形等约束,对比了不同子区域划分方式下的设计结果,获得了适用于大展弦比机翼翼梁结构拓扑优化的腹板子区域划分方式,对原始翼梁结构进行改进,改进后的翼梁结构满足强度、刚度设计要求。