基于物理驱动深度学习的结构形状优化设计

结构形状的优化设计本质上是一类泛函极值求解问题.在求解高维度泛函极值问题时,传统的变分法往往面临着求解目标函数类型有限、求解过程呈现振荡行为等问题.利用深度学习模型的高维非线性映射能力,建立了一种基于物理驱动深度学习的泛函极值求解模型.首先将描述结构形状优化问题的物理信息(控制方程、初始条件和边界条件等)作为正则化项嵌入深度学习模型中,基于性能目标构建损失函数;采用随机梯度下降法完成深度学习模型的训练,进而实现泛函极值的求解和结构形状的优化设计;通过分析最优曲面和最优拱轴线问题验证模型的有效性,并与遗传算法进行对比,结果表明该模型在小样本的目标任务上具有较高的预测精度和效率.作为一种非参数模型化技术,物理驱动深度学习模型对解决数据采集成本高、难度大的工程问题具有重要意义.

汽车下控制臂性能优化及轻量化设计

汽车下控制臂需要具备一定的强度和刚度以抵抗挤压、冲击变形,还需要具备较高的固有频率,以避免低频共振,产生噪音。文章以某在研汽车下控制臂为轻量化设计对象,通过仿真分析识别出屈曲力不足的设计风险,综合运用形状、拓扑优化方法重新设计了控制臂,并对新设计进行性能仿真。结果表明,新控制臂消除了屈曲力不足的设计风险,新设计较原设计减重6.6%。文章采用线性优化方法解决高度非线性的屈曲力优化问题,采用拓扑优化识别出载荷的传递路径,为汽车控制臂的屈曲力优化及轻量化设计提供新思路。

基于差异演化算法的高速储能飞轮形状优化设计

采用差异演化算法对高速储能飞轮的形状进行优化,以实现储能飞轮具有最大的质量能量密度,并且以在高速旋转的状态下满足强度要求为设计目标。针对差异演化算法进化速度依赖种群个体差异的特点,提出权重因子随种群聚集度变化而变化的策略,并增加混沌变异操作,以提高算法跳出局部最优的能力。构建了仿真优化程序,通过Visual C++6.0调用通用有限元软件ANSYS来计算飞轮的应力分布。通过优化计算得到了满足强度要求的质量能量密度最大的飞轮形状,与同质量的圆盘飞轮相比,转动惯量提高了28.39%。

基于变形均匀性的锻造模具形状优化设计方法

以直接设计预成形模具形状为目标，提出并建立了一种控制变形均匀性的灵敏度分析理论和模具形状优化设计方法。以任意单元的等效应变与所有单元的平均等效应变的差值的平方和作为目标函数，Ｂ样条曲线表示模具形状，Ｂ样条曲线控制点坐标作为优化设计变量，优化设计的目标是通过设计预成形模具形状使目标函数最小，即使整个工件的变形尽可能均匀。给出了目标函数的表达形式，详细推导了目标函数、单元等效应变率和单元各应变率分量对优化设计变量的灵敏度，给出了优化设计的步骤。应用该方法对圆柱体平模镦粗工艺进行预成形优化设计，给出了相应的优化设计结果，并提出了一种检验优化结果的变形均匀因子，优化与未优化结果的比较表明优化取得了良好的效果。

整体离心叶轮的形状优化设计

本文对离心叶轮的形状优化设计过程进行了研究。提出了整体叶轮结构分析的一种有效的方法 ,探讨了其优化数学模型的建立方法 ,包括设计变量的选择、目标函数的确定及约束条件的选取。并对某压气机离心叶轮进行了优化 ,有效地减轻了叶轮的重量 。

机器人操作器动力学形状优化设计

讨论了机器人操作器的刚性和弹性耦合动力学形状优化设计问题。主要将时间离散化、形状离散化。为此，首先求出各时间点上的动态响应，找出最不利情况，这样动态极值形状优化设计即可用复合形法解决。对末端挠度极小化为目标函数的形状优化设计问题进行了研究，得到了机器人操作器的最优形状。

采用知识迁移加速的智能气动设计优化方法

为缩短精细气动形状设计优化所需的最少性能评估次数与任务周期内所能容许的最大性能评估次数之间的差距,基于机器学习领域迁移学习理念,开展了采用知识迁移加速的智能气动设计优化方法研究。首先,搭建了翼型变分自编码器模型,利用其解码器实现了气动形状的智能参数化,同时借助其编码器将已完成任务样本统一至目标任务参数化空间;其次结合单保真度和多保真度代理模型,建立了贝叶斯迁移优化算法;然后,将翼型变分自编码器模型与贝叶斯迁移优化算法相结合,搭建了智能气动形状迁移优化框架;最后,通过任务相关性分析对知识迁移加速优化过程的机理进行了讨论。研究结果表明:通过开展翼型设计优化,智能气动形状迁移优化框架所获得的最优解中位数相较于无知识迁移的变分自编码器优化方法,性能提升了4.8%,比其他各参比方法提升了19.9%以上,验证了该知识迁移策略的有效性。

地下洞室形状优化设计

洞室开挖会使围岩周边产生应力集中 ,产生拉应力与压应力。围岩出现拉应力对洞室稳定十分不利 ,通常通过改变洞室形状和轴比来消除围岩中的拉应力。本文提出一种使洞室拉应力σθ=0 ,而压应力最小的确定洞室最优几何形状的方法。

三轴转台框架的形状优化设计

本文叙述了三轴转台四种不同的布局型式。提出了用Ｂｅｚｉｅｒ曲线和Ｆｏｕｒｉｅｒ级数描述三轴转台框架的形状，将形状优化设计问题转换为可用参数优化设计方法求解的形式。建立了ＯＵＴ型三轴转台外框架结构的形状优化设计数学模型。

面向对象的结构可靠性形状优化设计

使用面向对象的程序设计语言VisualC+ + 6.0 ,在面向对象的随机有限元基础上 ,充分利用结构可靠性优化设计方法的通用性和灵活性 ,设计了结构可靠性形状优化设计相关的类及其方法。计算结果表明 ,面向对象的程序设计方法所具有的封装性、继承性和多态性等优点可以简化可靠性形状优化设计方法的编程工作 ,提高程序代码的重复利用率 ,并有效地进行内存管理 ,使得程序结构清晰简洁 ,方便扩充和维护 ;并能有效解决由于结构的可靠性形状优化设计中存在的优化设计变量和计算可靠性指标的双重迭代问题引起的对机器内存要求高 。

离心压缩机叶轮的形状优化设计

提出一种新的优化方法研究离心叶轮的形状优化问题 ,即在遗传算法中加入自适应算子调节个体变异概率 ,来保证搜索的全局性和种群的多样性。并在寻优过程中加入生物生长来加快其寻优速度。最后 ,采用遗传算法和改进的遗传算法 -生物生长法两种方法 ,对叶轮进行优化设计。计算结果表明改进的遗传算法 -生物生长法 ,在较少的优化时间得到最优解。

基于等几何分析的结构形状优化设计研究

等几何分析方法是近年来发展起来的一种新型数值方法,具有几何精确描述、多种网格细化方法和稳定的高阶连续协调单元等特点。本文结合该方法建立了结构优化的数学模型,通过工程实例考察了该方法应用于结构形状优化设计的有效性,结果表明基于等几何分析的结构形状优化是可行的,对克服形状优化中边界可动、网格扭曲和重建等难题提供了有力的支持,为产品设计、分析和优化过程的集成统一提供了新的选择,供工程技术人员参考。

平板拖车尺寸形状优化设计

本文以HyperWorks软件为平台,对平板车车架进行建模和多种工况的静力分析,并以静力分析结果为目标进行尺寸和形状优化,在满足平板车刚度和强度要求的条件下减轻了车身的重量。

面向对象的接触问题可靠性形状优化设计

接触问题的可靠性形状优化分析的程序实现中,在每次优化迭代之前,先要求解接触问题和计算结构在最危险点的可靠度指标值,因此,存在三重迭代问题。用传统的面向过程的语言编制的计算程序由于在内存管理上缺乏灵活性,从而提高了在计算大型复杂问题时对机器内存的要求,并且程序存在计算效率低的缺点。而面向对象的程序设计方法所具有的封装性、继承性和多态性等优点则可以简化接触问题可靠性形状优化方法的编程工作、提高程序代码的重复利用率并有效进行内存管理,使得程序结构清晰简洁,方便扩充和维护。

多叶光栅叶片端面形状优化设计

为提高放射治疗剂量的精度,减少因半影导致的剂量误差,引入切割线理论建立了半影解析表达模型。提出了以最大射野范围内半影宽度均值为优化目标,针对圆心偏置的圆弧类端面进行优化设计的方法,并将优化方法应用于中心叶片和离轴叶片的优化设计。结果表明:相比较最大圆弧相交半径法得到的端面形状,采用该算法优化后的叶片半影宽度均值减小了1.6%。

杂交型马鞍网壳结构参数化设计及形状优化

杂交型网壳可以发挥各单一传统网壳的优点,在增大跨度的同时又可获得较高的经济效益。文章根据杂交型马鞍型网壳结构特点,采用APDL参数化设计语言研制了两类六种不同杂交型马鞍网壳参数化设计宏程序,运用ANSYS软件对其进行受力性能分析,并对受力性能最好的凯威特—联方(Kie-Lam)网壳进行了108种工况形状优化设计。结果表明:在同等工况下六种杂交型马鞍网壳中Kie-Lam最大位移为6.9 mm和最不应力为25.1 MPa均最小,受力最为合理;矢高f与网壳最不利应力成反比,f每增加1 m最不利应力平均下降幅度最大为0.51 MPa,随Ns变化没有统一规律;在S=60 m、f=30 m不变的情况下,存在一种工况Kn=8、Nx=12和Ns=8满足结构强度、刚度和稳定性前提下,使网壳结构总耗钢量最轻。

哥特式建筑风格与现代网壳结构设计的融合——角锥折板网壳参数化设计及形状优化

借鉴哥特式建筑风格和角锥折板网壳特点,采用APDL(ANSYS parametric design language)参数化设计语言,研制了五种不同网格类型的角锥折板网壳参数化设计宏程序,实现了给定跨度S、矢高F、环向对称区域份数Kn和径向节点圈数Nx等参数下,五种类型角锥折板网壳参数化设计。对五种网壳进行了受力性能分析,探究了网壳结构最不利位移、最不利应力随矢高变化规律:并以结构耗钢量为目标函数,以Kn、Nx为设计变量进行了形状优化。建模实例表明该参数化设计宏程序方便、快捷,形状优化设计给出了在跨度、矢高不变时结构耗钢量随网格数变化规律及耗钢量最小的最优网格数。

耦合对流传热的Stokes流体形状优化设计(英文)

本文研究了耦合对流传热的Stokes流体中的形状优化问题.利用不可压缩的定常Stokes方程耦合对流传热的模型来描述流体的特性,运用形状导数方法分析依赖于区域的状态方程解的极小化问题.通过引入共轭状态方程,计算出目标函数的微分形式,并构造求解该形状优化问题的梯度型算法.数值实验的结果验证了所用方法的有效性和可行性.

杂交型椭球面网壳受力性能比对分析及形状优化设计

杂交椭球面网壳几何构造简单、结构受力合理,可改善肋环型、施威德勒型单一椭球面网壳顶点杆件连接过多及顶点附近应力集中的弊端。本文通过引入杂交型椭球面方程,采用ANSYS软件APDL参数化设计语言,研制了两类六种杂交型椭球面网壳参数化设计宏程序;并通过形状优化设计研究了其跨度、矢跨比、上部结构径向结点圈数等宏观几何参数变化对杂交型椭球面网壳受力特点的影响规律;得到一些具有工程价值的结论。

基于ANSYS的深孔用大长径比刀杆形状优化设计

大长径比刀杆在加工深孔时,随着刀杆长径比的增加,加工偏差呈指数上升。本文建立了大长径比刀杆的动力学方程,采用拓扑优化方法,在不改变刀杆静刚度的前提下,研究刀杆可去除材料在刀杆上的位置分布,以提高刀杆的抗振性能。结合拓扑优化结果,对原刀杆形状进行优化设计,得出4种形状优化设计方案,利用ANSYS软件对其动静态性能、模态进行分析后进行仿真,并进行对比,确定了优化设计方案。