基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。

Arrow型蜂窝结构抛物柱面成型蚁狮算法优化

本研究将Arrow型零泊松比蜂窝结构用于空间抛物柱面天线。首先分析零泊松比蜂窝结构柱面成型所需加载方式,通过几何计算初步得到柱面成型所需载荷;再将ABAQUS分析、曲面拟合和型面精度计算整合为优化目标函数;然后采用蚁狮优化(ALO)算法求解使得型面精度最高的优化载荷,使用有效集法(Active Set)作为对照组,验证蚁狮优化算法的性能。优化结果得到了RMS为0.071 mm的抛物柱面,证明了将零泊松比蜂窝结构用于柱面天线反射面的可行性。与几何计算结果相比,通过ALO算法使得其型面精度提高了45.5%,收敛所需迭代步数为有效集法的1/7,证明了ALO算法对于解决初值未知优化问题的有效性和高效性。研究结果对于零泊松比蜂窝结构的优化设计和ALO算法的应用具有一定意义。