有限包络圆族的快速生成方法及其在二维布局优化中的应用

为了有效地实施有限包络圆族方法(FCM),大幅度减少包络圆数目,达到一圆多用、圆尽其用的目的,提出3种FCM自动化建模方法:二分法、三步划分法和带间隙的改进三步划分法.二分法利用组件各边长度和设置的容差大小得到该边的候选包络圆,若该圆不满足组件所有边的容差要求,则将该边不断地对分,直至所得到的包络圆满足各边的容差要求;三步划分法和带间隙的改进三步划分法则以组件区域为划分对象,依次对组件多边形凸顶角、凸扇形区和多边形各边剩余线段划分包络圆,且带间隙的改进三步划分法则允许包络圆在组件边界上以适当的间隙分布.最后通过算例表明,三步划分法和带间隙的改进三步划分法能用尽量少的包络圆逼近二维组件,在组件装填布局优化设计中明显提高了组件装填布局优化效率.

有限包络圆族法的排样应用及包络完整性研究

针对排样应用中有限包络圆族法出现的包络不完整问题,提出一种基于多边形三角剖分的修复法,对现有包络圆自动生成法进行补充。该修复法将复杂形状组件剖分为三角形组合,然后对剖分三角形进行包络完整性判断与修复,保证了组件多边形的整个面积区域实现完全包络。算例验证表明,三角剖分修复法不仅只产生少量的补充圆族,而且编程运算复杂度低,为有限包络圆族法排样应用的快速、准确实现提供了保障。

基于有限包络圆族的任意形状组件紧凑布局优化

任意形状组件的布局优化在理论上属于NP完全问题,由于实际形状的复杂性和任意性以及迭代计算量问题,求解十分困难。现有的研究大多是针对规则形状组件,而已有的对于不规则组件布局问题的研究,约束关系判断太复杂且计算量庞大。在运用于大量实体系统中进行碰撞检测与处理的分级球族树模型的基础上提出了有限包络圆(球)近似方法,该方法可以将任意形状组件的布局问题统一转化为标准的圆(球)族布局问题,从而建立了任意形状组件紧凑布局优化的通用有效方法。数值算例给出了满意的计算结果。

基于有限包络圆的光电平台传感器布局设计

为保证光电平台视轴稳定精度,在装配阶段需要通过配平来最小化其静不平衡力矩。为降低某两轴四框架形式机载光电平台的静不平衡力矩,建立了一种多传感器布局优化设计方法。以各传感器的布局位置为变量,基于有限包络圆方法实现各传感器间的不干涉约束,快速得到具有较小静不平衡力矩的传感器布局方案。该方法成功将某光电平台关于内方位、内俯仰运动轴系的静不平衡力矩分别降低了45%和68%,有效降低了配平质量,提高了光电平台性能。

部件级多组件结构系统的整体式拓扑布局优化

基于多组件结构系统整体式拓扑布局优化设计方法,研究了同时含有部件布局、组件布局、主结构框架构型和部件结构构型4类设计变量的复杂系统协同优化设计问题,是整体式拓扑布局优化设计面向复杂飞行器结构系统设计的拓展。采用多点约束(MPC)模拟组件、部件及支撑结构之间的刚性连接,采用有限包络圆方法(FCM)解决组件之间、组件与设计域边界之间的几何干涉问题。通过整体式拓扑布局的刚度优化设计,部件和组件均可以获得优化的布局位置,同时主结构框架构型和部件结构构型获得优化的结构样式,充分体现了整体式拓扑布局优化设计方法应用于复杂结构系统设计的能力。

多组件结构系统布局拓扑优化中处理组件干涉约束的惩罚函数方法

包含大量组件的多组件结构系统布局拓扑优化设计中存在大量的组件干涉约束,研究了包含大量组件的结构系统整体式拓扑布局优化设计问题,基于有限包络圆方法(FCM)提出了处理组件干涉约束的惩罚函数方法,构造了包含结构刚度和组件之间几何干涉函数的内外混合惩罚函数,应用基于梯度的优化算法对包含数十个组件上百个干涉约束的多组件结构系统进行刚度优化设计,得到了清晰的支撑结构构型和无干涉的组件布局位置,充分体现了提出的混合惩罚函数方法在解决多组件结构系统布局拓扑优化设计中组件干涉问题上的有效性和适用性。

简谐力激励下多组件结构系统的整体优化设计

多组件结构系统整体优化设计通过协同优化支撑结构拓扑构型和组件布局来使结构系统的位移响应最小。本文提出通过模态加速度法(MAM)求解多组件结构系统的位移响应,并以位移响应值最小作为优化目标;引入多点约束(MPC)方法模拟组件与设计域间的铆钉或螺栓连接形式;采用有限包络圆法(FCM)来避免组件之间及组件与设计域边界产生干涉。建立了多组件结构系统整体优化问题的数学模型,并对动响应目标函数关于设计变量的灵敏度进行了推导。最后,通过几个算例验证了整体优化方法在简谐力激励下求解问题的可行性及其在实际问题中的有效性。