机翼颤振模型的结构动力学设计

介绍了围绕某型飞机机翼颤振模型的结构动力学设计所开展的研究工作，内容包括设计目标与设计参数的确定、设计模型与设计变量的选取、设计方法与优化方法、主体结构与边界条件设计等。试验结果表明，设计出的颤振模型满足预定的振动特性要求。     

材料选型优化在结构减振中应用研究

以结构振动功率流为减振评价标准,基于金属铺层假设,以结构材料属性、材料铺层数量为设计变量,建立基于金属-复合材料的材料选型结构动力学优化模型。并以船艇钢-复合材料组合结构基座为例进行多设计变量、多约束条件的动力学优化研究。结果表明,采用功率流为目标的优化模型,结合金属-复合材料选型优化,可使船艇基座结构具有优异的抑振性能。计算结果验证了该方法的可行性与有效性。     

复合结构减振优化设计模型研究

复合材料由于具有低密度、高阻尼和良好的比强度比刚度等特性而被工程结构设计广泛采用。复合材料结构设计的特点在于力学性能设计和结构设计相结合,设计变量多,影响因素更为复杂,优化设计工作显得尤为重要。基于不同减振评价指标,结构动力学优化设计可以采用不同优化模型,减振效果也相差很大。本文以钢-复合材料复合基座结构为例,研究采用功率流落差与振级落差进行减振效果评价,以结构总重量或评价点输出功率流等为目标函数,以钢板厚度、复合材料铺层数和铺层角度为设计变量,考虑应力约束时各种结构动力学优化数学模型,并采用多岛遗传算法进行求解,比较减振效果。研究表明,采用复合结构功率流优化模型能获得更佳减振效果。     

桁架动力学形状优化的统一设计变量方法

研究了具有多种约束 ,特别是动力学约束 (频率约束 )作用下的平面桁架形状优化问题。提出一种将两类不同性质的设计变量 (尺寸变量、节点几何坐标变量 )变换为统一形式的无量纲设计变量的方法 ,解决了不同性质变量耦合引起的收敛困难问题 ,并拓展了设计空间。联合运用内点罚函数法、DFP法 (即变尺度法 )和一维搜索技术 (二次插值法 ) ,将约束优化问题转化为无约束序列优化问题 ,得到了满意的优化结果。算例表明本文方法对桁架形状优化的有效性 ,并显示了算法的简洁性和工程设计实用性     

复合结构减振优化设计模型

复合材料由于具有低密度、高阻尼和良好的比强度、比刚度等特性而被工程结构设计广泛采用。复合材料结构设计的特点在于力学性能设计和结构设计相结合,设计变量多,影响因素更为复杂,优化设计工作显得尤为重要。基于不同减振评价指标,结构动力学优化设计可以采用不同优化模型,减振效果也相差很大。以钢 -复合材料复合基座结构为例,研究采用功率流落差与振级落差进行减振效果评价,以结构总重量或评价点输出功率流等为目标函数,以钢板厚度、复合材料铺层数和铺层角度为设计变量,考虑应力约束时各种结构动力学优化数学模型,并采用多岛遗传算法进行求解,比较减振效果。研究表明,采用复合结构功率流优化模型能获得更佳减振效果。     

位移、应力、尺寸约束下二维连续体的形状优化

以二级控制理论为切入点,通过构造设计变量与关键点坐标之间的关系和关键点坐标与节点坐标之间的关系,得到了设计变量和节点坐标之间的关系。根据这一关系建立了目标函数跟设计变量之间的关系,采用有限差分法得到应力和位移的约束函数,建立了满足应力、位移和尺寸约束的形状优化模型,并采用序列二次规划方法求解二维连续体的形状优化问题。以MSC/Nastran软件为结构分析求解器,借助PCL语言开发了二维连续体的形状优化程序。为了有效地避免约束近似造成的迭代振荡乃至发散,在程序实现中,采用了区间因子来调整设计变量的上下限。数值算例表明程序算法的可靠性、精确性、高效性。     

刚度-质量-阻尼综合优化的船舶减振统一阻抗模型法

提出了船舶减振统一阻抗模型法,以结构阻抗值衡量减振能力,探讨同步进行刚度-阻振质量-阻尼材料综合配置的结构动力学布局优化设计。分别建立了基于结构原点阻抗、传递阻抗和阻抗级落差描述的三种动力学布局优化模型。以某军舰基座减振设计为例,验证所提出的统一阻抗模型法。算例中以基座各构件的厚度和大质量阻振方钢截面尺寸为尺寸设计变量,方钢和阻尼材料的布局为拓扑设计变量,利用模型映射变换方法,将该离散优化模型连续化。利用近似代理模型方法,求解该多频段动力学优化问题,验证刚度-阻振质量-阻尼材料同步优化设计的优越性。     

基于仿真的三级供应链成本优化

针对供应链这种非线性和复杂系统,为了优化供应链的总成本,提高供应链的整体竞争力,提出了一种基于仿真的优化方法。首先建立了一个三级协作供应链的系统动力学模型,供应链上的企业需要求解多个决策变量来降低供应链总成本。然后详细展示了将系统动力学模型转换为Matlab程序模型的过程,并在两个模型中使用了多组随机参数进行对比验证。最后设计了适当的遗传算法进行求解。结果表明,这种基于仿真的优化方法不仅能反映出供应链系统的动态特征,而且求解速度快、精度高,能有效解决供应链系统中的单目标或多目标规划问题。系统动力学模型结构相对固定,也不适合异构的交互环境,该方法给系统动力学模型提供了良好的补充。转换为Matlab程序模型后,可以进行深入的仿真研究,灵活设置目标函数和约束条件,详细分析系统的动态变化过程,还能为其它应用提供交互接口。     

基于动力学模型与参数优化的ISD悬架结构设计及性能分析

为寻找结构简单、性能优越的悬架结构(Inerter-Spring-Damper,ISD),对储能元件、支撑元件及耗能元件按不同位置构建21种工程上可行的拓扑结构,建立通用动力学模型。以簧上质量加速度及轮胎动载为目标进行优化,获得每种结构的元件参数。与传统悬架对比发现有12种新型结构性能优于传统悬架。对典型结构分析表明,动力学建模与参数优化方法在ISD悬架设计中具有一般性、通用性。     

纯电动物流车动力学建模及仿真优化分析

针对改善纯电动物流车的平顺性问题,以企业某车型为研究对象,利用动力学软件Adams/Car,建立基于四柱试验台的纯电动物流车动力学模型;以前、后桥的减振器阻尼参数和驾驶室悬置参数为优化变量,驾驶室座椅导轨处y向和z向的振动响应为优化目标,利用最优拉丁超立方设计方法对优化变量进行灵敏度分析,确定需要优化的多个主要影响变量,通过多目标遗传算法NSGA-Ⅱ（Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II）对其进行优化;最后在水泥路面工况下,针对不同车速对整车动力学模型进行平顺性仿真试验。分析结果表明,优化后的座椅导轨处y向和z向的加速度功率谱密度曲线峰值降幅明显,整车动力学模型的仿真精度大幅提高,平顺性得到显著改善。     

基于动力学共线刚度的空间隔振平台结构参数优化EI北大核心CSCD

针对空间隔振平台的参数优化设计问题,引入一个新的评价指标——动力学共线刚度。空间隔振平台上下平台的半径和相邻铰接点所对应的圆心角被选为设计变量,以最小动力学共线刚度的最大化为目标函数,以在指定的带宽内动力学共线刚度满足工程设计要求为约束条件,建立参数优化问题的模型,并以遗传算法为优化工具进行数值求解。仿真结果表明,经参数优化后的空间隔振平台满足工程设计指标要求。     

全船结构静动态优化设计

在采用归一化灵敏度分析方法对全船结构众多设计变量进行必要取舍的基础上，建立全船结构优化模型。通过优化板材厚度和骨材型号等离散变量，使结构在满足相应的频率、强度、变形约束和几何限制等条件下，达到全船结构重量最小化的优化目标。以某自航绞吸挖泥船为研究对象，建立优化模型，采用iSIGHT中集成的自适应模拟退火算法进行静力学、动力学特性的计算分析和优化设计。优化结果表明：优化后的全船结构在满足强度和刚度要求下，不仅具有更轻的结构质量，而且具有更高的固有频率储备，更低的振动水平，较好的实现了全船结构的优化设计。     

火炮最优射击稳定性设计研究

为获取最优的后坐阻力规律FR(t)以提高射击稳定性,基于多体系统动力学建模理论,建立了全炮动力学模型;以火炮射击时跳动量最小为目标,节制杆各圆锥段直径为设计变量,基于优化设计方法对优化问题进行了求解。优化结果表明:最大后坐阻力和火炮跳高都小于优化前,后坐阻力曲线更加平缓,火炮射击稳定性得到明显改善。     

桁架结构布局优化的并行子空间方法

由于结构布局优化存在设计变量类型众多和变量耦合等问题,采取合适的优化方法获得满足结构设计要求的最小质量的结构具有重要的工程意义.基于多学科设计优化方法中的并行子空间优化法,提出一种桁架结构布局优化的并行子空间优化方法.将结构布局设计问题按设计变量类型分为布局、形状和尺寸三个并行的子空间,设计变量在各自的子空间内单独优化,各子空间优化结束后,在系统级中协调3类设计变量,保持最小质量的子空间的优化设计变量不变,采用近似一维搜索的方法协调其他子空间的设计变量,然后进行下一次迭代直至收敛.2个算例表明该方法能够取得较好的优化结果,具有实际工程应用价值.     

结构-声场耦合系统声压响应优化设计研究

为了减小结构振动产生的噪声,基于结构-声场耦合有限元模型,对其在简谐力激励下的声响应进行了计算。在此基础上,以结构厚度为设计变量,保持结构重量相对不变并以设计变量的上、下限为约束,以设计域点在各频率响应声压平方和的平方根为目标函数,对其进行了优化设计研究。用软件N astran计算声响应及声敏度,基于iS IGHT对N astran的集成用可行方向法实施了优化。以一矩形板结构-立方体声场耦合系统为实例,得到了优化的结构厚度分布。优化后,设计域点的峰值声压级均有不同程度的降低,声压级降低最大值达32.8dB。结果表明声压响应优化设计,在保持结构重量相对不变的情况下,通过对结构重量的重新分布能达到较明显的降噪效果。     

基于MATLAB对牛头刨床机构的动力学仿真

使用MATLAB对具有较为复杂机构的牛头刨床进行了动力学仿真研究,得出了刨枕各构件的受力规律,并用图形直观显示。研究结果对于牛头刨床的结构优化设计具有指导意义。研究方法可以用于对类似机构的动力学分析。     

约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化

旨在为减振设计提供理论基础,研究约束阻尼结构拓扑动力学优化。以阻尼材料用量、振动特征方程、模态频率为约束,以多模态损耗因子倒数的加权和最小为目标,建立了约束阻尼结构拓扑优化模型,引入MAC因子控制结构的振型跃阶。在引入质量阵惩罚因子基础上推导出优化目标灵敏度。考虑到优化目标函数的非凸性,采用常规准则法(OC)寻优可能会使拓扑变量出现负值或陷入局部优化,故引入数学规划移动渐近技术对OC法进行改进,从而将全体拓扑变量纳入改进算法的优化迭代全过程。编程实现了约束阻尼板改进OC法拓扑动力学优化并对改进法性能进行了仿真。结果显示,改进算法可得到更合理的约束阻尼层构形,可使结构取得更佳减振效果。研究表明,改进算法迭代稳定性更好、寻优效率更高、更具全域最优性。     

采用等效有限元模型的复合材料机翼结构优化

在机翼设计过程中,将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略,将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题,对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束,以最小化结构质量和结构效率作为优化目标,对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束,对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点,采用"三步走"优化策略具有更高的效率,适用于初步机翼结构优化设计。     

基于多分辨率-多边形单元建模策略的多材料结构动刚度拓扑优化方法

利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。     

圆柱形三自由度超声电机定子的结构动力学优化设计

在已有研究的基础上,利用结构动力学方法,对圆柱形三自由度超声电机的定子进行了优化设计。首先根据该种电机的设计要求和先前的经验,确定了其定子的结构形式。然后应用精度较高的体积单元,建立了定子的结构动力学有限元模型。在灵敏度分析、确定设计变量的基础上,建立起定子的优化设计数学模型。最后,采用约束变尺度优化方法,在M ATLAB环境下编制了计算程序,得到了定子的优化设计方案,并制作了定子。实验表明:定子的工作模态满足预期的设计要求;实验结果与理论设计结果相符。同时,运用优化设计方法大大提高了设计效率。