结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

基于改进自适应多种群遗传算法的结构-控制系统一体化优化

提出一种改进的自适应多种群遗传算法,以更好地解决建筑结构-主动控制系统一体化优化问题,即同时对被控结构参数、控制算法参数、主动作动器布置位置进行优化。该遗传算法对编码方法、初始种群生成、选择策略、交叉概率和变异概率的自适应调整、多种群协同进化中移民策略等进行改进。研究结果表明:改进的自适应多种群遗传算法和改进的基本遗传算法优化结果总体一致,表明前者分析结果是正确的,并且具有较高的精度;改进的自适应多种群遗传算法和改进的基本遗传算法首次得到优化分析最优解的平均进化代数分别为320与730,表明前者比后者收敛速度更快;改进的自适应多种群遗传算法每次能达到或接近最优解,可有效克服基本遗传算法优化结果随机性较强的缺点;经改进的自适应多种群遗传算法优化的主动控制系统取得明显减振效果,E1 Centro波输入时,主动控制结构层间位移角峰值和绝对加速度峰值较无控时分别平均减小54.5%与46.7%。算例结果表明了改进的自适应多种群遗传算法的有效性,实现了对建筑结构-主动控制系统的一体化优化。

基于有限元分析的建筑结构加固设计与施工一体化优化研究

本研究针对建筑结构加固设计与施工一体化问题,提出了基于有限元分析的优化方法。通过深入分析有限元分析在加固设计中的应用,本研究构建了加固设计与施工一体化的理论框架,并详细阐述了其优势和实施流程。在优化方法上,本研究采用先进的优化算法,综合考虑结构性能、施工成本、工期等多个因素,实现了加固设计与施工方案的优化。研究结果表明,该优化方法能够显著提高建筑结构加固的效率和质量,具有重要的应用价值。然而,本研究仍存在一定的局限性,如缺乏实际工程案例的验证和考虑因素不够全面等。未来研究将进一步加强实际案例的研究,拓展优化模型的考虑因素,探索更多先进的优化算法和技术,以推动建筑结构加固设计与施工一体化技术的持续发展。

光热一体化技术在新型建筑保温材料中的应用与优化

本文研究了光热一体化技术在新型建筑保温材料中的应用及其优化策略,以光热一体化技术的原理和分类为着力点,探讨了其在不同建筑保温材料中的应用,重点分析了技术在实际应用中的效果和挑战。通过案例分析和理论探讨,提出了一系列优化策略,旨在提高光热一体化技术在建筑保温中的效率和经济性。研究结果显示,该技术有助于减少建筑能耗,提升环境友好性,但也面临着成本和技术实施的挑战。

考虑宏观结构性能的多材料微结构拓扑优化设计

多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究。在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响。基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题。通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式。基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性。

氢燃料电池密封复合材料的本构模型及密封结构优化

氢燃料电池(PEMFC)是清洁和可再生能源的重要发展目标,其内部密封系统的可靠性设计直接影响了整个燃料电池的长期稳定运行。因此,设计并制备了满足PEMFC密封要求的含固、液2种类型三元乙丙橡胶的复合密封材料。基于该复合材料的制备,采用自主开发的软件筛选出3种高精度的超弹性本构方程。采用有限元方法计算构建的PEMFC单电池模型的接触压力,得到了更合理的Lambert-Diani-Rey超弹性本构模型。另外,提出了4种截面形状的密封结构,压力分布规律表明,圆角梯形截面密封结构具有明显优势。利用正交试验设计筛选出圆角梯形截面密封件底边长度与倒角尺寸分别为2.4 mm×0.9 mm,同时满足密封和最大平均接触应力要求。

增材制造钛基金字塔点阵结构对镁/钛双金属复合材料界面强化的优化

采用超声辅助固-液复合铸造的方法,通过在界面处采用增材制造的钛基金字塔型点阵材料制备镁/钛异种双金属复合材料。采用正交法对点阵结构参数进行优化。结果表明,优化后的点阵结构参数为:杆直径(d)1 mm,杆长与杆直径比(l/d)3,上节点和下节点直径与杆直径比(d_(1)/d,d_(2)/d)均为2.5,其中l/dd是影响接头失效强度的最显著因素,最优点阵结构参数下镁/钛双金属接头的失效强度为77.3 MPa。实验结果和有限元分析表明:随着点阵结构长径比的增加,镁/钛双金属接头的失效强度先增加后减小,当长径比为3时,失效强度达到最大。

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。

全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用CFD软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

海上风电机组支撑结构一体化设计方法

受设计工作范围分工和责任的制约,风电机组设备厂商和风电场建设单位分别设计塔筒和导管架,这种分离式设计通过塔筒底部载荷传递并反复迭代确定结构型式及尺寸。此外,现有的海上风电机组导管架设计参考海洋石油平台等规范,忽略了海上风电机组的受力特点。上述两层原因较大程度上制约了支撑结构的力学性能,且设计迭代次数较多,并无法准确获取整体结构的动态响应。为解决上述问题,提出基于拓扑优化的导管架结构设计方法,并通过改变塔筒和导管架分界面位置,即扩大拓扑优化设计空间进一步提高结构性能。选取NREL 5 MW海上风电机组为研究对象,分别对比参考结构、拓扑优化结构和一体化设计结构的固有频率和不同极限工况下的最大变形。结果证明了所提出支撑结构一体化设计方法的有效性和优越性。

混凝土新材料的高性能建筑结构设计与优化策略探讨

混凝土作为最重要的建筑材料之一,其在建筑设计与施工中的应用越来越广泛。随着现代建筑技术的发展和对混凝土材料的进一步研究,目前,一些混凝土新材料已被广泛应用于建筑结构设计中。然而,这些高性能的混凝土新材料在应用过程中还存在一些问题,部分设计人员对高性能的混凝土新材料的了解也不够深入。基于此,文中探讨了建筑结构设计优化以及混凝土新材料在建筑结构设计中的应用,旨在帮助工程人员更深入地了解混凝土新材料在高性能建筑结构设计与优化中的重要作用。

高性能纤维增强复合材料的结构优化与制备工艺研究

本文围绕“高性能纤维增强复合材料的结构优化与制备工艺研究”展开深入研究,通过对不同纤维增强材料的结构特性进行分析,明确了各种纤维在复合材料中的性能优劣。在此基础上,采用先进的计算方法对复合材料结构进行优化,以提高其整体性能。在制备工艺方面,结合先进的成型技术和树脂浸渍工艺,实现了对纤维增强复合材料的精准控制,确保材料在制备过程中达到优异的性能表现。研究结果表明,通过结构优化和精密制备工艺的有机结合,能够显著提升高性能纤维增强复合材料的力学性能和耐久性,为该类材料在工程领域的应用奠定了坚实基础。

基于离散变量的多材料结构拓扑优化设计

多材料结构拓扑优化相比于单材料结构优化具有更大的设计空间,展现出巨大的设计潜力和应用前景。本文基于离散设计变量研究多材料结构拓扑优化,通过建立有效的设计优化方法,获得轻质高效的结构设计。首先,根据离散变量的特点,建立多材料结构拓扑优化模型,由离散变量下约束函数和目标函数的灵敏度信息构造序列近似整数规划子问题,采用运动极限策略限制设计变量的改变量以保证整数规划子问题的近似精度。为了解决离散变量的组合复杂性,采用具有多项式复杂度的正则松弛算法来高效求解(和经典的连续变量算法效率相当)。本文利用多材料结构最小柔顺性优化问题以及最大传热效率优化问题研究离散变量方法的有效性。数值算例表明,离散变量优化方法可以获得稳定迭代收敛的多材料拓扑设计,优化构型中的材料界面清晰分明,有效避免了出现模糊区域。

船舶执法艇结构设计与材料应用优化方案探究

为了提升执法艇的性能、安全性和耐用性,采用了多种材料进行实验,包括铝合金、碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料,评估在船舶结构中的力学性能。对比了传统与创新的结构设计,并通过模型船的性能测试来验证设计的有效性。结果表明,铝合金5083-H116和6082-T6因其轻质、高强度和良好的耐腐蚀性成为理想选择。其中,6082-T6铝合金在承受高负荷和保持结构稳定性方面表现出色。碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料在强度和韧性方面表现卓越,适用于对机械强度和冲击抵抗力有严格要求的环境。在结构设计方面,创新设计在航速和机动性方面明显优于传统设计。铝合金5083-H116和铝合金6082-T6在密度上相同,均为2.7 g/cm3,其抗拉强度至少达到305 MPa,屈服强度至少为215 MPa,特别是在高速和紧急转弯情况下。采用特定的流线型设计和防撞圈结构,执法艇的稳定性和抗撞性能得到了提升,防撞圈的外径在30~50 cm之间,由10~15 cm厚的橡胶层、5~7 cm的聚酰树脂层及2~3cm的硅胶层构成,有效降低了侧翻风险。所以,钛合金材料以及创新的流线型设计是未来执法艇设计的理想选择。

区域经济一体化进程中的产业结构升级与区域协调发展

区域经济一体化作为全球经济一体化的重要组成部分,在中国特色社会主义新时代背景下,不仅是提升国家竞争力的关键路径,更是促进产业结构优化升级、实现区域均衡发展的重要驱动力。本文旨在深入剖析区域经济一体化的内涵、意义及其对产业结构升级与区域协调发展的多重作用,包括深化产业集聚、优化资源配置、强化技术创新等。同时,针对当前存在的产业结构趋同、区域发展不平衡、制度障碍与行政壁垒等问题,提出一系列策略建议,以期为推动区域经济一体化进程、实现产业结构高级化与区域协调发展提供理论支撑与实践指导。

汽车车身结构优化设计及材料选择研究

随着消费者需求的多元化,优化车身设计和选择合适的材料变得尤为重要。本文首先分析了车身设计的现代挑战,包括环境法规的影响、安全标准的提升以及美观性和舒适性的需求。接着,探讨了结构优化的设计方法,如计算机辅助设计(CAD)和多目标优化策略,以及新型材料如铝合金、高强度钢和碳纤维复合材料在车身设计中的应用。最后得出结论:汽车车身结构的优化设计和材料选择对于实现行业的可持续发展至关重要,不仅要满足环保和安全标准,还要考虑成本和市场需求。

提升钢丝绳的材料特性与结构优化研究

钢丝绳作为一种重要的结构材料,其材料特性和结构设计对其性能和应用范围至关重要,在工程领域有广泛的应用。然而,在实际使用中,钢丝绳的材料特性和结构设计仍然存在一些潜在问题,如强度不足、耐磨性差、抗腐蚀性能欠佳等。因此,提升钢丝绳的材料特性和优化其结构设计成为一个迫切需要解决的问题。通过改进钢丝绳的材料成分、热处理工艺等方面,可以提高其强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。同时,通过优化钢丝绳的结构参数、绞距、绞束形式等,可以进一步提升其承载能力、柔韧性和阻尼性能。本文旨在探索新的材料技术和结构设计策略,以提升钢丝绳的性能,并应用于实际工程中,提高其使用寿命和安全性,满足日益复杂和严苛的工程要求。

电磁╱水下隐身减阻一体化超结构增材制造及性能研究

本文提出了一种电磁隐身—水下隔声—超疏水减阻一体化超材料结构,用于跨介质飞行器蒙皮结构,可以实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能和超材料结构的小型化和轻量化。所设计的旋转堆叠金字塔吸波器有效扩展了电磁波吸收带宽,斜蜂窝五模材料在实现高效隔离水下声波的同时,还具备较高的结构强度,可作为电磁超材料的基板。在电磁超材料的基础上,通过使用增材制造和超声空化技术,形成了不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构,减小了水下阻力,实现了流动控制。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。

建筑幕墙材料与结构设计优化与性能评估

建筑幕墙材料与结构设计优化与性能评估是建筑工程中的关键问题。本文探讨了计算机模拟与实验验证方法在该领域的应用。首先,介绍了建筑幕墙设计的重要性及现有挑战。其次,分析了计算机模拟方法在幕墙材料与结构设计优化中的作用,强调了其快速、准确的优势。然后,探讨了实验验证方法在性能评估中的重要性,以及其对设计方案的验证和改进的作用。最后,强调了综合利用计算机模拟和实验验证方法的重要性,以提高设计方案的质量和性能,为建筑工程的可持续发展做出贡献。