基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计

传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件,负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体,其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性,还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考.本文在移动可变形组件(moving morphable component, MMC)的框架下,提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法.在该方法中,机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示,这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述.通过分析传力机架结构设计的特点和要求,以刚度最大化为目标,体积分数(保证结构重量)为约束,建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式.同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台,并进行相应结构的拓扑优化.在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下,最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间,所形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力.通过与传统机架结构的对比,证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.

考虑增材制造悬垂约束的传力机架轻量化设计方法

运载火箭发动机传力机架是将发动机的推力载荷传递至箭体的关键连接部件。对质量占比较大的发动机传力机架结构进行轻量化优化,可以有效地提升火箭发动机的推重比,实现结构的高效承载及使用增材制造技术稳定生产。基于移动可变形组件法(moving morphable component,MMC)框架,考虑增材制造过程中的悬垂约束,提出了一种运载火箭发动机传力机架结构的轻量化设计方法。此方法能够考虑刚度、质量、设计空间、制造约束等设计要求,在限制结构质量(体积)的约束条件下,实现结构刚度的最大化。推导了相关优化问题列式,给出了优化流程,并进行了若干典型算例。通过对优化结果的重分析可知:优化结果满足运载火箭发动机传力机架的刚度要求及传力机架材料的最大应力要求,在质量上相比传统的机架结构有显著优势,优化结果中不存在大悬挑结构且满足增材制造特有的悬垂约束,验证了此方法的有效性。

基于压电驱动的多材料主动结构显式拓扑优化设计

结构的轻量化设计在工业领域中一直受到高度重视.与仅通过材料本身的刚度抵抗外界载荷作用的被动结构不同,主动结构通过主动改变结构的内力驱动变形从而实现结构轻量化.该文提出了一种基于可移动变形组件(moving morphable components,MMC)法的压电多材料主动结构的显式拓扑优化方法.该方法在满足位移约束的前提下,通过同时优化结构拓扑以及压电驱动器的分布实现了主动结构的总质量最小化.为了优化极化特征以实现复杂载荷环境下的自适应压电驱动作用,引入3组独立的MMC组件分别描述弹性材料和压电材料的分布及其相应的极化特征,以得到具有显式几何描述的复合材料主动结构.数值算例表明相比于被动结构,基于压电驱动作用的多材料主动结构能更有效地实现结构轻量化设计.

基于数据驱动的舵面结构优化设计

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1)传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题;(2)对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量;(3)隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。

面向不锈钢地铁整车结构的显式拓扑优化设计

随着轨道车辆轻量化设计需求日益突出,拓扑优化技术正加速应用于车辆关键局部结构高性能轻量化设计并取得较显著减重成果,但受限于制造要求和较大的计算规模,整车级车体结构拓扑优化已为轨道车辆设计阶段的难点之一.论文针对某不锈钢地铁车体结构设计需求,基于移动可变形组件法(Moving Morphable Component, MMC),开展显式拓扑优化框架下的整车级车体结构优化设计.依据EN 12663标准工况及车体设计空间,建立了地铁车体结构MMC拓扑优化数学模型,给出了相应的拓扑优化设计流程,搭建了地铁车体结构显示拓扑优化算法平台.按照设计流程,基于灵敏度的驱动,以车体结构的整体刚度作为设计目标,同时设置质量约束,通过调控组件移动、旋转和变形,实现对整车级车体结构的拓扑优化研究,确定了车体拓扑构型.基于MMC方法,可有效降低优化过程中的计算量,直接获取较为清晰的不锈钢地铁车体结构整车级传力路径,论文数值算例验证了该算法的优势.