纸质双层地下空间结构模型设计优化分析

以第七届城市地下空间工程大学生模型设计竞赛为背景,以纸质双层地下空间结构模型为分析实例,从模型概念设计、选型制作、理论计算、数值分析等方面,对模型结构进行了优化分析,完成了加载实验。该模型结构满足题目要求,在承受满载100 kg时,模型结构沉降量仅为2.80 mm。参赛实践表明,大学生模型设计竞赛可以像实际工程结构设计一样,通过概念设计、力学分析、数值计算优化等找到合理的结构设计方案,加上精良的制作工艺和反复练习,能够培养学生的创新能力、动手能力以及团结合作精神。

基于多目标优化的箱梁渡槽结构设计研究

针对箱梁渡槽所受水荷载远大于同等跨径箱梁桥所受汽车荷载导致槽身纵向受力突出的问题,在渡槽结构设计中统筹考虑箱梁纵向应力储备和造价,构建了以截面尺寸、钢筋用量等6个参数为设计变量,以渡槽边缘正应力和造价为目标函数,以槽身挠度、法向应力等9个验算指标为约束条件的多目标优化模型,并基于支持向量机近似模型和NSGA2遗传算法求解多目标优化模型的Pareto最优解集,然后综合专家打分、COWA算子、博弈论综合赋权与TOPSIS法从Pareto最优解集中选出最佳方案。结果表明:与初始方案相比,最佳方案的渡槽边缘正应力储备提高了17.55%,渡槽上部结构总造价降低8.84%;与有限元分析相比,该方法在保持较高计算精度的同时节省了65.42%的计算时间成本。

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。

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%。

结构优化在空间可展开天线中的应用及展望

空间可展开天线是航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术、面向增材制造的拓扑优化与点阵填充等先进轻量化设计技术的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,着重介绍近年来结构优化技术在空间可展开天线零部件结构优化和馈源阵支撑结构概念设计中的典型应用案例;最后,考虑未来空间超大口径及高精度可展开天线的设计需求,对先进轻量化设计技术的应用前景进行展望。结构优化技术与设计经验相结合,正在推动设计理念的创新,将成为先进航天器设计的核心工具和必备的标准流程。

基于双线性类桁架材料模型的拉-压杆拓扑优化设计

拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一,采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义.渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究,这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板,其本质是在最优解附近寻找近似解.此外,由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难,现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响.本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法,以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型.该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量,拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致.采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题,并给出了单元刚度矩阵的修正方法.优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解.数值算例表明,结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响.与现有基于单元密度的优化方法相比,所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场,计算效率提高约26%,同时给出更多材料分布细节.

基于多保真代理模型的塔机臂架结构优化

起重臂架是动臂式塔机的关键工作部件,负责提升运输建筑材料,其制造成本和工作耗能与自身重量成正比,需要对臂架的重量优化展开研究,因此提出了一种针对动臂式塔机臂架的高效优化设计方法。首先,基于有限元法,计算了不同臂架幅度下的极限工况应力及变形,确定了最危险工况,并以此工况作为优化设计的基础工况;然后,选定了臂架上12个结构参数为设计变量,进行了参数化建模,利用拉丁超立方采样(LHS)选取了样本点,基于有限元仿真数据,构建了三种基于径向基函数(RBF)的代理模型并对其精度进行了评估;最后,基于精度高的多保真代理模型(MFS),以臂架重量最小为优化目标,构建了臂架优化问题的数学模型,使用遗传算法(GA)完成了优化设计。研究结果表明:优化后的臂架满足强度、刚度要求,整个臂架不会发生断裂和失稳,而且臂架重量减轻了25.03%;同时,多保真代理模型的预测结果和仿真结果误差小于3%,证明了多保真代理模型的准确性,进而证明了基于多保真代理模型的臂架优化方法的有效性。

膨胀节水压测试装备左梁结构优化设计

为了实现某水压测试装备左梁结构轻质化、高强度的优化设计目标,应用ANSYS Workbench的多目标驱动优化工具结合多目标遗传算法对左梁结构尺寸进行优化,应用ANSYS Workbench的拓扑优化工具对左梁结构形状进行优化。多目标驱动优化和拓扑优化相结合的优化方法,使左梁结构质量减少了23.24%,达到了优化目标,为水压测试装备结构优化设计提供了思路和参考。

某相控阵天线主承力框架的结构设计

星载环境对天线结构设计提出了严格的轻小化要求,同时要求天线有足够的刚度和强度。文中针对一种星载相控阵天线,设计了一种适应子阵可扩展的阵列天线结构功能一体化架构,对天线主承力框架进行了轻量化结构设计和优化。力学分析和试验结果均表明,该天线主承力框架稳定可靠,强度安全裕度满足设计要求,天线结构设计合理可行。

基于ISIGHT平台的GFRP托盘结构优化设计

托盘是货物运输中的重要工具,其生产原料也呈现出多样化的发展趋势。本文针对废弃玻璃纤维增强塑料(GFRP)托盘进行结构设计,使用ABAQUS进行静力分析,并通过ISIGHT对托盘进行DOE全因子试验优化。将托盘结构参数作为变量,托盘质量、最大应力作为优化目标,进而得到局部最优解。将DOE试验结果通过RBF模型进行拟合,得到近似模型,并通过NSGA-Ⅱ算法对其进行优化,进而得到最优结构。结果表明,DOE优化后,托盘质量增加了9.2%,最大应力降低了18.2%;通过NSGA-Ⅱ算法优化后,托盘质量减小了1.2%,最大应力降低了15.3%,实现了对托盘结构的优化设计。

油浆泵用机械密封的分析与结构优化设计分析

基于油浆泵用原机械密封结构应用中存在的失效问题,介绍一种新型机械密封结构优化设计。具体设计中介绍三种干气密封式机械密封结构优化设计,并通过热流固耦合数值仿真模拟获取最佳优化设计方案。另外,采用现场试验分析方法对机械密封结构优化设计进行综合分析,最终确认优化后的机械密封结构可满足使用要求。

建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

房屋结构设计是建筑工程中的重要环节,其质量直接影响着建筑物的安全性和使用寿命。为提升房屋结构设计质量,本研究探讨了运用建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用。利用一种成熟完整的建筑结构设计优化方法,其中包括模型建立、参数设置、优化运算、结果分析等步骤创建了房屋结构设计的模型。通过对工程案例的模拟计算和分析对比,研究发现,利用建筑结构设计优化方法能够有效提升房屋结构设计的准确性,减少结构中不必要的部分,进而降低了工程成本。同时,优化后的结构更符合力学原理,提高了建筑物的稳定性和安全性。此外,这种优化方法还具有操作简便,适用性广泛的特点,管理者可以根据实际需要灵活运用。本研究的成果对于建筑行业中的房屋结构设计有着重要的参考价值,预期能为市场提供更加科学,经济,安全的房屋设计方案。

梁柱节点结构施工图设计的BIM优化与应用探索

本文分析了建筑信息模型(BIM)技术在梁柱节点施工图设计中的应用,重点探讨了其在提升设计精度、优化材料使用、缩短施工周期和增强结构安全性方面的效果。通过广西某高层住宅项目的案例,证实了BIM技术能够降低设计变更率,提高施工效率,并且实现成本控制。研究表明,BIM技术是推动建筑行业向数字化、绿色化发展的关键因素。

基于多项式代理模型的车顶绝缘子背风侧沿面压力优化研究

高速气流下,车顶绝缘子背风侧出现低气压会使得闪络电压降低,影响列车安全运行,为了改善车顶绝缘子背风侧的低气压现象,使用代理模型对车顶绝缘子结构参数进行优化。在车顶绝缘子结构参数上选取了伞裙上、下倾角以及伞裙间距作为因子,以绝缘子背风侧沿面压力的最小值作为响应,采用全因子试验设计方法获取样本数据,并对因子的主效应和交互效应进行分析,在此基础上建立多项式代理模型,进一步得到最佳的结构参数,最后进行闪络试验验证其有效性。结果表明:伞裙上、下倾角的主效应与伞裙间距相比更加显著,各因子之间没有显著的交互效应;最佳参数:伞裙上、下倾角分别为8°和0°,伞裙间距为45mm,背风侧沿面压力最小值提高了25.62%,同时压力平均值提高了42.47%;在100m/s的风速条件下,车顶绝缘子的闪络电压提高了16.80%。研究结果可以为车顶绝缘子结构设计提供参考。

基于遗传算法的空箱式挡土墙多目标优化设计

为高效、准确、自动化地实现空箱结构的优化设计,以空箱式挡土墙为研究对象,基于Python语言和ABAQUS软件进行参数化建模,实现了结构建模及有限元计算分析全套流程的自动化。结合某水闸工程中的一座空箱式挡土墙结构,以多个强度和稳定性指标的最优化和混凝土体积的最小化为目标,以规范要求的指标阈值、几何尺寸和体积限制为约束条件,采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)进行空箱式挡土墙多目标优化设计。为进一步提高计算效率,基于人工神经网络算法建立了代理模型,实现了与实际有限元模型的高度近似。结果表明,依据所提出的优化设计方法进行空箱式挡土墙多目标优化设计,可以在有效控制强度和稳定性的前提下尽可能地缩减混凝土用量,具有显著的经济效益。

桁架式四旋翼无人机异形机架优化设计

随着多旋翼无人机的广泛应用,其外形的个性化需求越来越受到关注。以杆单元建立了桁架式机架的初始模型,在模型上预设不同的孔或空腔结构,再以杆单元最大许用应力为约束,进行以轻量化为目标的拓扑优化,获得了不同外形的四旋翼无人机机架。结果表明:保持电机和载荷位置不变,机架整体结构都为“X”形;改变孔的形式和位置,能够获得具有不同外形、质量和柔度的机架;预设通孔、沉孔和空腔后的模型优化结果分别呈现平行悬臂、邻接强化悬臂和邻接弱化悬臂的结构。优化结果可为多旋翼无人机机架的异形设计、个性化设计提供参考。

大型空间桁架面天线的结构—电磁耦合优化设计

由于载荷变化及各种随机干扰,大型空间桁架面天线必须保持非常精确的形状.基于提高空间天线电磁性能以及降低作动器能耗的目的,结合大型空间桁架天线结构的特点,建立了以天线轴向增益和作动器能耗为目标函数,以结构强度、作动器变形和轴力为约束条件的多目标优化模型.数值试验结果表明,结构—电磁耦合优化设计模型只需较低的作动器能耗,就能明显提高天线电性能,很好地满足了天线结构与电磁设计要求.

论基于概率模型的结构可靠性优化设计

结构优化设计的目标是实现可能的最优设计。而结构设计受控于材料特性、几何参数、作用载荷及失效条件等诸多因素。这些因素通常存在不可避免的不确定性。为了实现安全性和经济性之间的协调和平衡 ,能合理处理各种不确定性的结构可靠性方法和先进的优化设计技术的结合成为人们的一种自然的选择。基于可靠性的结构优化设计 ,可在结构安全性和经济性之间达到最佳平衡。因而成为设计者所追求的最高目标。文中简要介绍和论述基于概率可靠性的结构优化设计技术的主要内容。

基于多工况关联的无人车辆车身结构轻量化优化设计

未来战场的多样化对特种无人车辆的环境适应性提出了更高的要求。为满足特种无人车辆的多工况使用、高机动能力与低成本研制等要求,采用多工况关联设计与轻量化优化的思路对无人车桁架车身结构进行优化设计。考虑到多工况的车身结构设计变量多、设计空间大,面临仿真次数过多的问题,提出基于多工况关联的车身结构轻量化优化方法,利用设计变量区间缩减策略减小设计空间;引入高斯过程代理模型替换仿真分析实现结构设计方案性能的快速评估;结合遗传算法实现方案的优化。实验结果表明,最终优化方案在通过车身刚度强度和模态等多学科性能仿真验证的情况下,质量比初始方案降低14.12%,比只用高斯过程优化设计的方案降低8.87%。

多工况下天线结构的可靠性优化设计

根据天线结构的特点 ,提出了结构多工况的概率描述 ;建立了以反射面精度可靠度为约束的结构多工况优化模型 ;构造了基于最优准则的迭代计算公式 ;设计了相应的计算机软件 ;对在自重和随机风荷共同作用下的 8m口径天线结构进行了优化设计。