形状敏度及水平集在结构优化中的运用

建立了水平集方法和结构优化问题模型,对形状敏度进行了分析,导出了演化水平集方程所需要的速度场,并结合工程实例,证明了其有效性,以推广基于敏度分析的水平集方法在结构优化中的应用。

小展弦比超声速机翼颤振的形状敏度解析分析

颤振形状敏度指出颤振边界随机翼形状变化的移动情况.由于气动弹性系统质量、刚度和阻尼矩阵和形状设计变量的非线性函数关系,采用有限差分法计算颤振形状敏度耗费巨大,且准确性较低.本文提出一种颤振形状敏度的解析计算方法,考虑的变量主要包括展弦比、梢根比、机翼面积和后掠角.利用等效板模型,并结合一阶活塞理论求解结构质量、刚度和气动矩阵关于设计变量的解析导数.在颤振求解中采用状态空间形式运动方程,通过跟踪气动弹性极点在复平面的轨迹确定颤振速度.利用Lancaster伴随法求得特征值敏度和颤振解析形状敏度.基于解析敏度,利用线性Taylor近似预测基本设计点附近颤振速度随着形状变量的变化情况.通过和重新分析比较发现:本文方法能够准确预测翼面形状基本设计点附近的颤振速度,但对机翼面积和后掠角适用范围有限.利用颤振解析形状敏度,设计人员能在早期阶段在兼顾颤振特性的情况下进行翼面形状设计.

特征值问题的边界形状灵敏度

研究连续系统振动特征值问题的边界形状灵敏度满足什么方程和边界条件，如何离散化作近似计算结果表明：如果采用相同的有限单元剖分模式，边界形状灵敏度方程和特征值问题方程具有相同的系数矩阵，但前者是非齐次方程，后者是齐次方程；前者需要施加非齐次边界条件，后者施加齐次边界条件。

形状设计灵敏度分析的改进的再生核质点法

基于物质导数概念和直接微分法,将再生核质点法应用于形状设计灵敏度分析(DSA)中。导出了基于无网格近似的灵敏度方程,特别强调了在考虑形状函数关于设计变量的物质导数时无网格方法与有限元法的不同。通过对RKPM形状函数及其物质导数进行矩式显式表述,提高了无网格方法的计算效率。对两个二维线弹性问题进行了位移灵敏度和应力灵敏度分析,计算结果与解析解吻合的很好;同时通过对通常的RKPM和改进的RKPM计算耗时的比较,显示了该方法不仅有效,而且可以显著地提高计算效率。

连杆的形状灵敏度分析和形状修改

连杆的灵敏度分析在连杆优化设计中起着重要作用。本文首先讨论了结构形状灵敏度分析的本边界元摄动法，然后对ＳＹ４９２Ｑ汽油机连杆进行了实际分析，并得到了一些重要结论，为改进连杆设计提供了依据。

弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法.采用主动集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件.在mortar接触边线的切线和法线方向上采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法.在此基础上,通过将离散形式的摩擦接触问题控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度计算格式,其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解.与国际上现有的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现.数值算例验证了算法的精度和有效性.

Herrmann Method of Analyzing Structure Design Velocity Field

The shape optimization is studied by adopting the domain integrated method which is based on the calculus of variations during the shape design sensitivity analysis. A new method of improving the efficiency of the design velocity field analysis and the quality of the finite element method (FEM) mesh is put forward. The sensitivity analysis which is based on the calculus of variations is used in the shape optimization. The design velocity field is solved by Herrmann method. An example shows that both the quality of the FEM mesh and the efficiency of the computing of the design velocity field are improved by Herrmann method. So the effect and the efficiency of the shape optimization are guaranteed. If using sensitivity analysis which is based on the calculus of variations in the shape optimization, the sensitivity analysis can be a relatively independent module. The efficiency of computing the design velocity field and the quality of mesh will be improved by using Herrmann method.

Shape Optimal System for Linear Elastic Structures

An integrated system FSOP2D,including modules for the shape optimal modeling,structural analysis,sensitivity analysis,optimal method library and post- processing,is developed.By selecting fictitious loads as the design variables that has a linear relationship with the grid point locations and using design sensitivity analysis of the domain method,it is easier to solve the velocity field.In the course of optimal iterations,mesh distortion is kept to a minimum,sensitivity derivatives of object function,stress constraints and displacement constraints are derived.Computation of sensitivity analysis is achieved in the system.Two engineering examples are used to prove the system's effectiveness,the optimal results can successfully be obtained by lesser number of iterations.

FLNG低温软管内衬波纹管多目标优化设计

低温柔性管道是海上浮式液化天然气生产储卸装置系统中输送液化天然气的核心装备之一。U型波纹管作为低温柔性管道最内层结构,直接影响低温管道的安全性。本文选取波径和环板长度作为独立结构设计参数进行结构分析,解决了在传统的U型波纹管灵敏度分析中,波高会随波距的改变而改变的耦合计算问题。构建了径向基函数神经网络代理模型,采用遗传算法对U型波纹管结构开展了多目标优化,获得以拉伸刚度最大和弯曲刚度最小为优化目标时的帕累托最优解集,为U型波纹管在实际工程应用中提供有益的设计参考。