基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计

发展一种大规模并行拓扑优化框架,以最大化三维薄壁填充结构特征频率。通过两步滤波法描述薄壁区与填充区,建立以特征频率为目标、质量分数为约束的薄壁填充结构拓扑优化模型。基于PETSc和SLEPc软件包实现滤波方程和广义特征值方程的高效并行求解。推导特征频率和结构质量关于设计变量的灵敏度,并提交移动渐进线法(Methodofmoving asymptotes,MMA)求解器更新设计变量,直至算法收敛。在拓扑优化中,结合基于模态置信准则(Modal assurance criterion,MAC)的模态追踪方法以解决模态切换问题。研究具有不同质量分数约束的数值算例,以验证算法的有效性。最后,实现具有70万自由度的三维薄壁填充结构拓扑优化设计,分析CPU核数对算法性能的影响:与12核相比,使用28核的计算时间减少了43.7%。扩展薄壁填充结构拓扑优化方法以适用于特征频率最大化和大规模并行计算,为复杂装备结构轻量化设计提供有效的思路。

采用泡沫铝填充薄壁结构的穿透器缓冲防护研究

携带探测仪器的穿透器高速侵彻行星体,内部科学仪器将受到高g值冲击,极易损坏.为了科学仪器的缓冲防护以提高自身存活率,本文设计了一种具有多层能量吸收结构的穿透器样机,将泡沫铝填充薄壁结构(简称FTS)应用于内部载荷的缓冲防护设计上以提高存活率.在LS-DYNA中模拟了穿透器侵彻星球介质的过程,通过冲击试验和仿真分析验证了该种措施的有效性.研究结果表明:FTS对隔离冲击和能量吸收效果明显,为穿透器工程样机的研发提供了重要的解决方案.

泡沫铝填充薄壁管复合结构压缩与吸能性能

采用填加造孔剂法制备泡沫铝,将其填充入6061铝合金薄壁管中制备填充复合结构,通过准静态压缩实验研究填充间隙、黏结方式以及薄壁管的壁厚等参数对泡沫铝填充管力学和吸能性能的影响,确定最佳制备参数。通过准静态压缩实验和落锤冲击实验,研究在不同应变率下单一与复合结构的力学和吸能性能特点。结果表明:在准静态压缩实验中,当应变为60%,泡沫铝填充管的吸能量是泡沫铝与薄壁管二者数值加和的122%;在冲击实验中,和单一结构相比,复合结构的冲击载荷更加稳定,且具有更高的平均冲击载荷,吸能能力更强;相对于单独的泡沫铝,泡沫填充薄壁管在压缩和冲击吸能方面均有较大的提升。

列车防爬器诱导槽结构实验研究

防爬器是轨道列车被动防护装置的一部分,由于铝蜂窝填充型列车防爬器峰载荷较大,不能满足使用要求,根据预变形理论,可在防爬器包覆蒙皮上开设诱导槽,以降低峰值载荷。分析了诱导槽深度及层数对防爬器缓冲特性的影响,结果表明,诱导槽深度及层数对防爬器缓冲载荷影响较小,但诱导槽深度越大、层数越多,载荷越不平稳。因此,为保证防爬器缓冲载荷的平稳性,应在满足峰值载荷要求的情况下,应尽量降低诱导槽深度及层数。

基于Kriging的泡沫填充锥形薄壁结构耐撞性6σ稳健性优化设计

锥形薄壁结构的耐撞性设计过程中,其设计变量和噪声因素都具有一定的波动性,都存在不确定性.传统的优化设计方法由于忽略不确定因素的影响,当设计变量产生波动时,往往会引起设计最优目标超出约束界限或者目标函数对设计变量的波动极为敏感,从而导致设计失效.为了考虑参数的不确定影响,论文提出了一种结合试验设计技术、Kriging近似建模技术、蒙特卡罗模拟技术和6σ质量控制理念的稳健优化设计方法,并应用该方法对泡沫填充锥形薄壁结构的耐撞性进行了优化设计.优化结果表明,该方法提高了锥形薄壁结构的耐撞性,同时也提高了设计变量的可靠性和目标函数的稳健性.由于在优化过程中调用的是Kringing模型,该方法比传统的优化方法具有更高的优化设计效率.算例表明,该方法具有非常强的工程实用性,能大幅提高产品的设计质量.

异面撞击载荷下金属蜂窝填充薄壁结构的动态力学性能

为了研究不同胞元拓扑结构蜂窝填充薄壁结构的力学性能差异,建立了4种典型胞元填充结构的数值有限元模型,采用参数分析方法研究了它们在不同胞元壁厚及撞击速度作用下的动态力学行为。研究结果表明:在受到异面撞击载荷作用时,蜂窝与薄壁结构之间存在较强的耦合效应,且交错排布三角形蜂窝与薄壁结构之间的耦合效应最强;在耦合效应与撞击载荷的综合作用下,交错排布三角形蜂窝填充薄壁结构的动态力学性能较其他3种结构更为优异;随着胞元壁厚、撞击速度的增加,蜂窝填充薄壁结构的承载能力、吸能能力和稳定性都有一定程度的提高。