基于人工智能的三维结构全局应力求解方法研究

针对结构健康监测系统(SHM)中有限数量的应力测点难以监测结构全局应力的问题,提出一种基于人工智能的三维结构全局应力求解方法,通过少量应力测点实现对三维结构物应力场的实时求解。首先,基于有限单元之间对载荷响应的关联性,运用相关性分析找出求解三维结构物应力场的特征单元;其次,利用神经网络建立特征单元与相关单元的求解关系,并将特征单元设为应力测点进而求解结构全局应力;然后,以某海洋平台连接器结构为应用主体,考虑测点数量、神经网络架构、收敛准则等因素对求解精度的影响,建立连接器结构应力场人工智能算法优化模型;最后,开展实尺度模型试验,经比较分析得出该算法模型应力求解精度高达93.6%,该技术可切实提升SHM系统的实用性,将传统的对“点”监测提升为对“场”监测。

热弹性结构全局应力约束拓扑优化设计

针对静强度失效问题,提出一种基于全局应力约束的热弹性结构拓扑优化设计方法。考虑热载荷和机械载荷共同作用下,以结构的体积最小化为目标函数,利用应力松弛方法来消除奇异解现象,采用改进的P范数方法将所有的单元应力凝聚化为一个近似等于结构最大应力的全局应力,利用全局应力作为约束,建立热弹性结构全局应力约束拓扑优化模型,采用移动近似线算法进行拓扑优化问题的求解。数值算例表明热弹性结构全局应力约束拓扑优化设计方法是有效的。随着温度载荷增大,应力约束拓扑优化获得的拓扑结构不同,最优结构的用材有所增加。

考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑构型设计

为了避免大变形引起静强度失效,提出一种考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化设计方法。采用Total Lagrangian描述方法和增量式Newton Raphson法求解机构的大变形响应问题;采用基于假设密度场的单元势能插值法,从而避免几何非线性拓扑优化出现的数值不收敛问题;以输出位移最大化作为优化目标,采用改进的P范数将机构所有单元局部应力约束转换为一个全局应力约束,构建考虑全局应力约束的柔顺机构几何非线性拓扑优化模型,采用移动渐近线算法求解优化问题。数值算例结果表明,采用本文方法获得的大变形柔顺机构能够有效满足应力约束。随着允许应力约束值的减小,机构构型中的铰链区域逐渐扩大,使机构的柔度分布更加均匀,但是输出位移逐渐减小。

基于全局应力约束的渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法的基础上,提出一种考虑结构全局应力约束的改进方法。根据第四强度理论,将应力约束进行全局化处理,将应力约束问题转化为应变能约束问题,进而在灵敏度分析中,使用应变能灵敏度来代替应力灵敏度,避免了应力灵敏度计算的困难。最后,给出了本方法的具体实现步骤,通过2个数值算例表明了该方法的可行性和有效性。

应力约束全局化处理的连续体结构ICM拓扑优化方法

由于应力约束按单元计,加之多工况,使得连续体结构拓扑优化由于约束数目太多,导致应力敏度分析计算量太大而无法接受。基于第四强度理论提出了应力约束条件全局化处理的方法,化为全局替代约束——总应变能约束,用ICM方法对总应变能约束条件下的连续体结构拓扑优化进行建模及求解,其过程分为三步:第一步选择最大应变能对应的工况,在给定重量下求出最小结构总应变能;第二步提出一个数值经验公式,借助第一步的结果,计算出各工况下的许用总应变能;第三步以第二步计算出来的各工况的许用总应变能作为约束,以重量为目标建立模型并求解。顺便指出,第二步的处理方法可以处理载荷相差特别大的情况,即病态载荷情况。数值算例表明:全局性应力约束可以更好地得到传力路径,对于处理多工况问题具有优势。

应力约束全局化策略下的连续体结构拓扑优化

利用Mises强度理论,提出了应力约束全局化策略,将局部的应力约束问题转化为结构整体的应变能约束问题．基于ICM(独立、连续、映射)方法,引入了独立、连续的拓扑变量,对单元重量、单元刚度和单元许用应力的过滤函数进行了选择,建立了以重量为目标,以结构应变能代替应力约束的多工况下连续体结构拓扑优化模型,寻找到了多工况下的最佳传力路径．运用对偶二次规划方法对上述优化模型进行了求解．另外,利用PCL语言,在MSC／PATRAN的开发平台上,实现了应用应力约束全局化策略进行连续体结构拓扑优化的模块化处理．数值算例表明了该方法的可行性和有效性．

连续体结构拓扑优化的应力约束全局化(英文)

连续体结构拓扑优化面临3个困难:1)基于柔顺度为目标的连续体结构,多工况问题是多目标问题,相比较单工况而言,更难于解决;2)局部性约束问题．如单元应力极限,比全局性约束问题如位移或频率极限,要复杂的多,因为局部约束问题敏度分析计算量巨大．3)载荷病态问题．类似于结构分析中的“总刚病态”,不容易得到最终的合理的拓扑结构,因为考虑到当载荷的大小差距较大时,在迭代过程中,小载荷的传力路径有可能消失．为克服上述困难,采取了如下措施: 1)利用ICM方法建立拓扑优化模型．2)基于von Mises强度理论,所有单元的应力约束转化为结构的应变能约束,即全局的约束代替了局部约束．3)载荷病态被分成3种情况:(a)各工况间有载荷病态,但工况内无载荷病态;(b)仅在某工况内部有载荷病态;(c)各工况间有载荷病态,同时某工况内也有载荷病态．4)采用应力全局化的ICM方法,基于应变能的策略,上述提到的3种载荷病态问题按照不同的方法逐个得到了解决．数值算例说明了用全局应变能约束代替局部应力约束,传力路径更容易得到．用结构应变能代替载荷作为调整系数的方法非常好地解决了载荷病态问题．

基于全局动态应力解空间谱单元插值的关键时间点识别

针对结构动态响应优化中动态分析的复杂性与高耗时性问题,提出了基于全局动态应力解空间谱单元插值的关键点识别方法,找到结构动态响应下最危险的时刻。首先利用模态叠加法,获得结构的模态应力分布,并计算全局动态应力解空间,然后利用谱单元离散动态应力绝对极大值点曲线,采用Lagrange插值并调用区域细分全局优化求解器,找到全局动态应力的极大值与极小值,即关键时间点。将该方法应用到124杆平面桁架和均布力与集中力共同作用的结构关键时间点识别问题中,识别结果说明了该方法的可行性和有效性。

结合应力全局化与层次分析的拓扑优化设计

客车骨架作为主要承载件,其强度是否可靠直接决定整车的安全性。应用CAE分析方法对公交客车车身骨架进行拓扑优化设计,将材料许用应力惩罚函数引入到实体各向同性材料惩罚方法中,构造出基于应力全局约束的拓扑优化模型。采用层次分析法确定各工况最优权重系数,以综合工况下柔度最小为目标函数,将多工况下多目标优化问题转化为单目标问题求解。结果表明,优化设计后的车身结构应力布局均优于现有结构,车身弯曲刚度和扭转刚度分别增加了6.15%和7.14%,整车结构性能明显提升。

航空发动机限寿件概率失效风险评估的等效应力转化

提出一种从整个飞行循环出发并基于全局的限寿件等效应力转化方法,将转化后的等效应力作为概率失效风险评估的输入条件,从而获得更为精确的失效风险结果。首先通过流固耦合数值模拟获得限寿件在整个飞行循环的瞬态应力,然后基于雨流计数法及线性累计损伤理论编制转换程序,将限寿件模型全部节点上的瞬态应力转化为等效应力,最后作为概率失效风险分析流程的输入条件确定寿命期内的概率失效风险。相同飞行循环条件下,与基于局部最大应力的转化方法相比,全局等效应力转化方法获得的失效风险更低。该方法的提出,为我国民机型号概率失效风险评估时作为关键输入数据应力的确定给出了定量参考,有力支撑了适航取证。

应力约束下三维连续体结构拓扑优化分析

本文基于ICM(独立、连续、映射)方法,建立了以连续体结构重量为目标的应力约束下多工况的三维连续体结构拓扑优化模型。利用von Mises强度理论,提出了应力约束全局化方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束,由此减少了约束数目,降低了问题的规模,避免了敏度分析。另外,利用对偶理论,将建立的优化模型转化为对偶模型,用序列二次规划法进行了求解,从而减少了设计变量的数目,提高了求解效率。借助MSC．Patran和MSC．Nastran提供的软件平台,利用PCL语言实现了本文的优化算法。数值算例验证了方法的可行性与有效性。

基于应力约束的翼肋拓扑优化和软件二次开发

翼肋主要作用是维持机翼外形,对于机翼的总弯曲刚度贡献较小,但是翼肋的重量却在翼盒的结构重量中占有相当大的比例(一般为8%～12%),因此有必要通过一定的结构优化方法减轻翼肋的结构重量。在MSC.PATRAN平台上二次开发了应力约束全局化的拓扑优化方法,并首次将该方法应用于翼肋的拓扑优化;采用了一套工程估算方法,可用于翼肋的初步设计和快速重量估算。结果表明:在满足稳定性要求的情况下,经过拓扑优化的翼肋结构减重效果明显。

基于ICM方法三维连续体结构拓扑优化

基于ICM方法,建立了在应力和位移约束下以重量为目标的多工况下的三维连续体结构拓扑优化模型.利用von Mises强度理论,提出了应力全局化的方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束问题,减少了约束数目,避免了敏度分析的困难;利用单位虚载荷法,将位移约束表示为设计变量的显式关系.为减小由于不同物理量在数量级上相差太大引起数值计算的误差,将应变能约束和位移约束进行无量纲化,由此建立了包含两类约束的无量纲化的优化模型.同时处理了多工况下的最佳传力路径的问题.利用对偶规划理论对模型进行了求解.另外,利用PCL语言在MSC/Patran的开发平台上实现了该文算法.数值算例表明了该方法的可行性和有效性.

基于应力约束全局化策略的板壳结构强度拓扑优化

应力约束下板壳结构的拓扑优化设计由于应力约束难以显式化和约束条件数量庞大等问题,存在建模和求解的困难。为了解决这些困难,首先,该文通过类比独立连续映射(Independent Continuous and Mapping,ICM)方法中的过滤函数,在实体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material Penalization,SIMP)方法中引进了单元重量惩罚函数和材料许用应力惩罚函数,实现了对SIMP方法惩罚函数概念的拓广。然后,该文移植了ICM方法中行之有效的应力约束全局化策略,基于拓广后的SIMP方法,构造了代替应力约束后的结构畸变能约束的近似显式化函数,建立了多工况下板壳结构拓扑优化模型。最后,采用对偶序列二次规划算法求解该优化模型,并基于Python语言在ABAQUS软件平台进行了程序实现。数值算例都取得了很好的结果,这表明该文提出的方法是可行而有效的。

荧光油膜技术及其在流动控制中的应用（英文）

研究了运用荧光油膜技术测量全局表面摩擦应力的方法,引入金字塔迭代技术和模拟演化技术提出了该方法的优化求解算法,并通过平板绊线实验对以上方法进行了验证。以此为基础,通过两个典型的流动控制实验进一步探讨了荧光油膜技术在流动控制中的应用,其中包括采用不同参数锯齿形转捩带控制平板流动转捩的被动流动控制实验和不同激励频率下的后台阶零质量射流主动流动控制实验。以上实验测量结果表明,荧光油膜方法能够有效帮助理解流动机理并可用于评估流动控制策略。

Multi-species particle swarms optimization based on orthogonal learning and its application for optimal design of a butterfly-shaped patch antenna

A new multi-species particle swarm optimization with a two-level hierarchical topology and the orthogonal learning strategy(OMSPSO) is proposed, which enhances the global search ability of particles and increases their convergence rates. The numerical results on 10 benchmark functions demonstrated the effectiveness of our proposed algorithm. Then, the proposed algorithm is presented to design a butterfly-shaped microstrip patch antenna. Combined with the HFSS solver, a butterfly-shaped patch antenna with a bandwidth of about 40.1% is designed by using the proposed OMSPSO. The return loss of the butterfly-shaped antenna is greater than 10 d B between 4.15 and 6.36 GHz. The antenna can serve simultaneously for the high-speed wireless computer networks(5.15–5.35 GHz) and the RFID systems(5.8 GHz).

按应变能处理应力约束的连续体结构拓扑优化

对每个单元都引入应变比能系数,通过追求对局部应力约束的高精度逼近,使独立.连续.映射(Independent Continuous and Mapping,ICM)方法中全局化应变比能约束的表达更为可靠,同时采取放松初始应变比能系数的手段加速优化迭代。利用结构最大Mises应力对许用应力比值的幂函数对全局化处理后的应变比能约束限进行修正,或者控制结构的最大应力,或者加速优化迭代。为了使拓扑构型向合理方向演变,每次迭代都对拓扑变量履行从连续到离散的反演,反演阈值自动计算。各算例均以较少的结构重分析次数,优化得到了类似理论最优解Michell桁架的拓扑图形,表明本文处理应力约束下结构拓扑优化问题的方法是合理和高效的。