基于工程师经验的结构优化设计研究

借鉴结构工程师的设计经验与直觉判断 ,在一定条件下 ,通过一次有限元分析给出结构的传力路线 ,并由此确定拓扑结构 ,利用MATLAB优化工具箱进行形状与尺寸的优化 ,以达到结构优化设计之目的。算例结果表明 :本文方法思路简单、力学概念明确、算法简洁有效 ,易于被结构工程设计人员所接受。

薄壁件的装夹变形机理分析与控制技术

系统地提出一个分析与优选夹紧力大小、作用点以及夹紧顺序的通用方法。基于由摩擦力引起的接触力历史依赖性,定量地分析多重夹紧元件及其作用顺序对薄壁件变形的影响,并建立装夹方案的数学模型。同时提出基于最小总余能原理的有限元求解方法。另一方面,基于装夹方案的优化模型,提出装夹变形的控制技术以便获得最高的工件加工精度。以典型铝合金航空材料构件为例,模拟与分析夹紧力及夹紧顺序对其变形的影响过程。

基于遗传算法的夹具布局和夹紧力同步优化

夹具设计是机械加工中一个重要步骤。夹具优化旨在得到最合理的夹具布局和夹紧力。为了弥补分步优化夹具布局和夹紧力以及应用传统优化算法而存在的不足,本文提出了应用遗传算法同步优化夹具布局和夹紧力的方法。使用该方法进行夹具优化的算例结果表明优化得到的设计优于经验设计,该方法是一种有效的夹具优化方法。

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 。

基于单元材料属性更改的结构渐进拓扑优化方法

提出了一种基于单元材料特性更改的结构渐进拓扑优化方法,通过定义设计区域内单元的存在状态为设计变量,以结构的材料用量为约束条件,实现了线弹性结构拓扑优化设计。该方法采用承载能力很弱的各向同性实体单元(弹性模量和密度均很小)代替结构实体单元,实现单元的拓扑变化,即单元的删除是将实体单元改变为弹性模量和密度很小的单元。单元删除取决于由灵敏度分析得到的每个单元对结构性能的贡献。同时结合了灵敏度再分配技术控制棋盘格式,使各单元对结构性能的贡献或影响因子实现平滑过渡。算例表明,本文的单元材料特性更改的结构渐近拓扑优化方法与灵敏度再分配棋盘格式控制技术相结合的方法,可以得到边界清晰、结构合理的拓扑优化构形。

基于传力路径下结构优化设计研究

为了探讨符合工程结构设计人员思维习惯的和便于理解与接受的优化设计方法 ,作者借鉴工程师的设计经验与直觉判断 ,在合理构件力学模型的基础上 ,通过一次 SAMCEF有限元分析获得结构的内力流 ,即传力路线 ,并由此确定结构布局的形式 ;利用 MATL AB优化工具箱进行形状与尺寸优化 ,形成一种易于工程人员使用的新方法。从表 1、表 3、表 4和表 5 ,以及表 2、表 6和表 7的数据对比分析可知 :计算结果稳定可靠。本文方法具有思路清晰、力学概念明确、算法简单有效 。

基于线性规划的工件稳定性建模及其应用

工件在实现定位后,在加工过程中将要受到工件重力和切削力等外力的作用。为使工件保持定位精度与生产安全性,必须保证工件在整个加工过程中具有稳定性。系统地讨论了工件稳定性建模及其求解方法,在摩擦锥线性近似以及变量非负转换的基础上,提出了工件稳定性的定量判断准则;利用线性规划方法对工件稳定性模型进行分析。结果表明,稳定性模型不仅能够验证工件的稳定性,而且还能够分析夹紧力大小、作用点以及夹紧顺序的合理性。这种方法既适用于夹具夹持稳定性分析,也适用于机械手的抓取稳定性分析。

力学建模在变密度法中密度与刚度关系中的应用

将结构拓扑优化中的变密度人为过程视作材料纵横方向收缩的物理过程,并把此收缩量转化为密度与刚度关系的中间变量。利用一种有限元数值模型将三者建立离散的数据关系,再使用幂指近似函数建立密度与收缩量的解析关系,最后利用力学关系建立密度与刚度的解析关系。数值计算表明:本文方法概念明确、操作简捷、数据拟合效果好。

飞机活动翼面的结构布局方法研究

为探讨飞机活动翼面结构布局方法,提供一种用于结构方案论证时的新方法.采用模块化策略作为技术途径,表现为将CAD,CAE和结构拓扑优化组合使用,以UG作为CAD几何造型平台,以ANSYS作为CAE建模平台,利用“敏度阀值”概念和“约束补偿”措施构造出一种拓扑优化新算法.以实际飞机型号作为算例,优化结果与真实的结构布局形式相比较,能够指出传统设计的不足之处,既验证了建立的物理模型的合理性,又考核了该优化算法的有效性.

从机翼薄壁盒结构设计中引出的问题

以结构稳定性作为切入点,利用多格薄壁盒来模拟机翼结构的主要承力部分,能够既保留问题实质又降低复杂性.模型曲线形状表明:该优化问题为非凸不连续,具有多个局部最优解;优化结果指出: (1)替换材料, (2)增减载荷大小, (3)改变几何参数,最优结构拓扑形式均要发生变化.因此,无论从学术研究还是工程应用,基于稳定性约束的机翼结构优化均是一个值得研究的内容.

基于拓扑优化技术的飞机普通框设计方法研究

为了能够合理地降低飞机结构重量系数,针对飞机结构件,以普通框为研究对象,通过对“敏度阈值”的改进,提出“敏度变阈值”概念,并与“约束补偿”策略结合而形成拓扑优化算法,用于普通框的材料布局设计。以一轻型飞机的后段某一普通框为例,拓扑优化结果表明:(1)等材料设计时,刚度提高百分之四十;(2)等刚度设计时,材料用量减少百分之三十。由此可以得出:(1)基于“敏度变阈值”的拓扑优化算法用于飞机普通框改进设计是可行的和有效的;(2)给出了一种具有可操作性的设计方法,用以实现框结构“等刚度”的设计思想;(3)所给出的方法易于飞机结构设计人员接受与掌握,并且具有工程实用价值。

基于超单元方法的铣削加工变形快速仿真计算

介绍了铣削过程的力学建模 ,提出了基于有限单元法中的超单元计算技术快速预测工件铣削加工变形的新方法。结合两个典型零件实例 ,分别对两种铣削方式 (端铣、周铣 )进行数值计算分析 ,算例结果表明了应用超单元技术可以大大提高加工变形的仿真计算效率 ,具有重要的应用价值。

基于材料-结构协同设计的层合板多级优化方法

提出一种以材料参数与结构参数为变量的复合材料层合板多级优化设计新方法。以单层纤维含量、层厚和铺层角为设计参数,建立了刚度和强度约束下的结构减重设计模型,基于有限元分析,运用所提出的三级优化策略完成结构轻量化设计。本文给出了不同载荷类型和位移边界条件下层合板优化算例,设计结果验证了方法的有效性。

飞机翼面结构布局综合设计方法研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题 ,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法 ,本文采用分级优化与集成的策略 ,该策略分为 3个层次。第一个层次为拓扑优化 ,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局 ;第二个层次为尺寸优化 ,它用来确定翼面的中间参数 ;第三个层次为稳定性准则优化 ,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的 3个层次中 ,拓扑优化是独立的 ,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例 ,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的 ,并且具有很好的数值效果。作者认为 :它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值 ,值得在飞机设计部门推广应用。最后 ,总结给出

改型设计中飞机普通框一种设计方法

为了能够合理地降低飞机结构重量系数 ,针对飞机改进设计 ,以普通框为研究目标 ,通过对“敏度阈值”的改进 ,提出“敏度变阈值”概念 ,并与“约束补偿”策略结合而形成拓扑优化算法 ,来用于普通框的轻量化设计。以某一轻型小飞机的后段一普通框为例 ,拓扑优化结果表明 :(1)等材料设计时 ,刚度提高 4 0 % ;(2 )等刚度设计时 ,材料用量减少 30 %。由此可以得出 :(1)基于“敏度变阈值”的拓扑优化算法用于飞机普通框改进设计 ,是可行和有效的 ;(2 )给出了一种具有可操作性的设计方法 ,用以实现框结构“等刚度”的设计思想 ;(3)所给出的方法易于飞机结构设计人员接受与掌握 ,并且方便地用于将来的框结构改进设计之中。

自动化技术在飞机活动翼面结构方案论证中的应用

为了探讨飞机活动翼面结构布局方法 ,并提供一种基于现代集成设计技术的、具有良好操作性的、用于结构方案论证时的新方法 ,本文采用模块化策略和几种手段相结合的思想作为技术途径 ,具体表现为将CAD、CAE和结构拓扑优化组合使用 ,以UG作为CAD几何造型平台 ,以ANSYS作为CAE建模平台 ,利用作者提出的敏度阀值概念和约束补偿措施构造出一种拓扑优化新算法。以实际飞机型号作为算例 ,优化结果与真实的结构布局形式相比较 ,能够指出传统设计的不足之处 ,这既验证了本文建立的物理模型的合理性 ,又考核了该优化算法的有效性 ,同时 ,也说明了本文提出的“结构布局方法”具有一定的实用性。最后 ,从该方法的良好操作性可以预示出它对未来飞机活动翼面结构设计 。

一种多元函数的可视化方法

利用数学可视化概念和向量的正交性,本文提出一种将多维函数在三维欧氏空间可视化的方法, 旨在描述多维函数图形。本方法在多维数据图形的显示方面会有广泛的应用价值。

基于稳定性优化对翼面结构设计带来的思考

通过构建简单模型来揭示飞行器翼面复杂结构中存在值得探讨的专题 ,是本文要研究的内容。以结构稳定性条件作为切入点 ,利用多格薄壁盒作为简化模型来模拟翼面结构的主要承力部分 ,巧妙地降低了问题的复杂性。其图形曲线特征表明 :该优化问题的目标函数非凸不连续 ,而且还具有多个局部最优解 ;进一步的计算指出 :无论是替换材料 ,还是增减载荷大小 ,或者改变几何参数的尺寸 ,此模型的最优结构拓扑形式均要发生变化。从本文所做的工作可以推知 :无论从学术研究角度 ,还是工程应用方面 。

一种新的基于两点自适应的多维近似函数性态研究

利用作者提出的“变基底近似”和“泰勒一阶非线性展开”等手段构造了一种基于两点自适应近似函数 ,旨在改善近似函数的精度和扩大近似范围。数值算例表明 :针对变量具有可分离形式和变量耦合程度较弱的函数 ,它具有很好的近似效果。同时 。

金属膨胀节的有限元建模方法与应用

膨胀节是大型管道系统设计的重要组成构件,采用弹簧单元来研究膨胀节的建模方法,并通过大型有限元软件Ansys的应用完成对电站空冷岛复杂排汽管道系统建模与变形的实例分析,验证了膨胀节建模方法与有限元模拟的合理性与有效性,计算结果对此类结构的分析设计具有重要的参考价值。