基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计

为提升车辆底部防护组件的抗爆性能,降低车身底板变形对车内乘员的威胁,基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计,得到了加强梁的最佳材料分布形式,随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能,采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计,以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标,防护组件的质量为约束条件,以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量,得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明,相比于初始设计,该方案在不增加结构质量的情况下,防护组件的抗爆性能得到显著提升,改进后基板的挠度峰值降低了5%,基板的最大动能降低了11.58%。     

基于神经网络的车辆抗冲击防护组件优化

随着军用车辆防护要求的不断提高，抗冲击防护组件设计面临越来越多的挑战。为了提供一种高效科学的研究方法，本文中采用V型结构，并应用径向基函数神经网络近似模型和多目标遗传算法对某型车防护组件进行优化设计。以防护组件变形量与总体质量最小为设计目标，利用灵敏度分析筛选出对防护组件防护性能影响较大的设计因子。以径向基函数神经网络构建实验设计样本的近似模型，然后用多目标遗传算法进行数值优化获得防护组件最优方案。最后通过仿真与实验验证，证明优化方案满足设计要求。研究结果可为今后防护组件开发提供设计思路。     

负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应，提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能，建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型，并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性；将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分，分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式，并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明，含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型，采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案，有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。     

桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化

研究了桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化问题。建立了以结构重量为目标函数、混合可靠性指标为约束条件的拓扑优化数学模型,针对强度为随机变量和应力为区间变量、强度为区间变量和应力为随机变量两种情况推导了可靠性指标对设计变量的灵敏度计算公式。实例结果表明：混合可靠性拓扑优化的截面尺寸和结构重量相对于非概率可靠性优化都更大,使得结构除了能够容许载荷存在一定变异程度外,也允许位移和强度存在一定变异程度。     

斜井单螺杆抽油泵柱和扶正器间距的最优设计

在对斜井中单螺杆抽油杆柱进行受力分析的基础上建立了适合于斜、直井的一般力学模型 ,在四个约束条件下同时考虑可靠性最大和扶正器数目最少两个优化目标 ,对斜、直井中单螺杆泵系统的杆柱的杆径和扶正器合理间距进行优化设计。四个约束条件分别为 :1 .组合变形的最大剪应力强度 ;2 .疲劳强度 ;3.最大挠度 ;4 .井眼曲线的尺寸。根据分层优化的方法 ,分解为两个层次优化 ,第一个层次给定杆径以杆长为设计变量 ,扶正器数目最小为目标 ;第二个层次以杆径为设计变量 ,可靠性最大为目标 ;借助动态规划的思想 ,由井深最大的设计井段向上逐段求解。并编制了优化设计程序 ,在文中给出了优化设计的计算实例     

考虑界面力学性能的组件及结构的协同优化

包含多个内嵌功能组件及支撑结构的多组件结构因其轻量化、多功能等优良特性被广泛应用于航空航天等领域.已有的多组件结构拓扑优化研究大多基于理想界面假设,忽略了材料连接界面可能发生的破坏. 本文针对包含多个内嵌式功能性组件的结构,考虑连接界面的力学性能, 对组件的形状、布局及支撑材料的拓扑进行协同优化,以实现多组件结构的优良承载性能. 首先,基于超椭圆模型对内嵌组件的形状及布局进行显式的参数化描述,并构造其水平集函数表达; 进而,结合组件及支撑材料的水平集拓扑描述、内聚力模型及扩展有限元方法(extended finite element method, XFEM), 在固定网格下对随优化迭代不断演化的结构拓扑及连接界面的力学性能进行准确描述;进一步, 建立水平集法框架下考虑界面力学性能的多组件结构拓扑优化列式,基于伴随变量法推导解析的灵敏度并采用梯度优化算法求解优化问题.本文采用该优化框架分别对内嵌组件的悬臂梁和MBB梁进行协同优化, 在优化过程中,发现组件的初始布局对最终设计有很大的影响, 并且可能导致不良结构.为了避免此情况, 本文提出了两个阶段的优化策略,即首先对组件布局和形状进行优化, 再进行结构和内嵌组件的协同优化.数值结果显示, 在优化结果中功能性组件及界面通常分布于结构受压应力作用的区域,且连接界面最优形状呈现为曲率较小的光滑曲线,该设计避免界面发生拉伸及剪切破坏, 有效提高了结构的承载力,同时也表明了本文所提出考虑连接界面力学性能拓扑优化方法的有效性.      

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

含模糊变量和区间变量的结构可靠性优化设计方法

提出了基于能度可靠性理论的含模糊变量和区间变量的结构优化设计方法.运用能度可靠性理论建立了含模糊变量和区间变量的结构混合可靠性模型,采用结构的最大失效可能度作为混合模型的可靠性度量,给出最大失效可能度的计算方法,并以混合可靠性模型的最大失效可能度为约束条件建立了混合结构优化设计模型.实例计算表明了本文方法的有效性.     

直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅱ)——多目标优化解法研究

在旋翼气弹动力学模型基础上进行了多目标优化问题的描述和分类,定义了多目标优化问题及其解,讨论了多目标优化问题的解法,提出了直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题的解法.使用改进的遗传模拟退火算法、加权系数法、全局准则法相结合的混合式解法进行旋翼气弹动力学多目标优化问题的求解.算例结果表明:使用混合法的多目标优化解法设计变量变化平缓;同时设计目标函数的3次/转、4次/转、5次/转谐波振动载荷和桨叶总质量分别比初始设计减少13.4%、31.5%、20.9%和7.36%,优化效果明显.由本文的研究可知,在直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题中,使用混合式多目标优化问题解法能使旋翼气弹动力学多目标优化收敛到Pareto最优解,同时可提高多目标优化问题解质量和结果的鲁棒性.     

桁架结构非概率可靠性形状优化设计

采用区间变量描述不确定参数,提出一种桁架结构非概率可靠性形状优化方法。建立了以截面尺寸和节点坐标为设计变量,以结构重量为目标函数,具有非概率可靠性指标约束的桁架结构形状优化数学模型。采用量纲归一化对截面尺寸和节点坐标进行了变量统一;运用均值点法对功能函数进行泰勒线性近似求解得到相应的非概率可靠性指标,并采用序列二次规划算法对优化模型进行求解。三个算例分析结果表明,算例均能快速稳定地收敛到最优解,结果符合工程结构设计经验,验证了本文所提方法的准确性和有效性。     

基于三线性分灾模型的结构多目标抗震优化设计

基于分灾抗震设计概念,发展了基于三线性分灾模型的结构多目标优化设计方法。以防屈曲支撑为分灾构件的框架结构为例,针对分灾构件设计参数,采用多目标遗传算法进行分灾结构多目标优化设计。最终得到了分灾框架结构分灾构件用量和层间位移角等重要特性的多目标优化关系,并进行了相关讨论。结果表明,结构多目标分灾优化模型可以综合考虑结构造价和抗震性能等,并可以根据目标偏好有效地满足设计需求;分灾构件对抗震性能的作用随着震级增大而增强,使用分灾构件的结构能够更好地抵御强震的作用。     

基于多目标优化策略的结构可靠性稳健设计

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将结构可靠性稳健优化设计转化为多目标优化问题。运用灰色理论中的关联分析法,选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出了灰色粒子群算法求解可靠性稳健优化设计问题。与传统方法相比,该方法简便易行并能迅速准确地得到结构可靠性稳健优化设计信息。     

RELIABILITY-BASED DESIGN OF COMPOSITES UNDER THE MIXED UNCERTAINTIES AND THE OPTIMIZATION ALGORITHM

This paper proposed a reliability design model for composite materials under the mixture of random and interval variables. Together with the inverse reliability analysis technique, the sequential single-loop optimization method is applied to the reliability-based design of composites. In the sequential single-loop optimization, the optimization and the reliability analysis are decoupled to improve the computational efficiency. As shown in examples, the minimum weight problems under the constraint of structural reliability are solved for laminated composites. The Particle Swarm Optimization （PSO） algorithm is utilized to search for the optimal solutions. The design results indicate that, under the mixture of random and interval variables, the method that combines the sequential single-loop optimization and the PSO algorithm can deal effectively with the reliability-based design of composites.     

基于响应面方法的破损-安全结构可靠性拓扑优化

传统结构由于缺少冗余,忽略了不确定性因素的影响,更容易受到局部刚度损失的影响,文章针对载荷不确定性下破损-安全结构的设计问题提出了一种有效的基于响应面的可靠性拓扑优化方法,以提高结构的安全性,确保结构在发生局部破损时仍能满足服役性能及可靠性要求.为此,建立了柔度概率约束下的结构体积比最小化的双循环可靠性拓扑优化模型,其中内层循环实施可靠性分析,外层循环实施拓扑优化.为了有效处理可靠性分析中响应函数关于随机变量的导数计算高成本问题,基于响应面方法建立了响应函数关于随机变量的显式表达式.详细推导了响应函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐近线方法(method of moving asymptotes, MMA)对优化问题进行求解.将基于响应面的可靠性拓扑优化方法与基于解析导数的方法作对比,并实施蒙特卡洛仿真验证了所提方法的有效性和优越性,讨论了随机载荷标准差对优化结果的影响.结果表明,本文方法可以有效设计满足指定可靠性水平的破损-安全结构,优化后结构可靠性指标的相对误差不超过1.3%,另外基于响应面的可靠性设计方法相对于基于解析导数的可靠性设计方法可节省约74%的可靠性...     

Multi-objective optimization of a guide vane in the turning region of a rotating U-duct to enhance heat transfer performance

An optimization has been performed for the design of a guide vane in the turning region of a rotating U-duct using the Kriging meta-model and a hybrid multi-objective evolutionary algorithm. Rotation of the U-duct is accompanied by the Coriolis force that causes a discrepancy in heat transfer between the trailing (pressure) and leading (suction) surfaces of the duct. For the optimization, three geometric variables related to the thickness, angle, and location of the guide vanes are selected as the design variables. A Kriging model is constructed to obtain a Pareto-optimal front through a multi-objective evolutionary algorithm. The values of the objective function at the design points are evaluated by Reynolds-averaged Navier–Stokes analysis. The shear stress transport model is used as the turbulence closure model in the analysis. The tradeoff between the two competing objective functions is discussed for Pareto-optimal solutions in the design space. The optimized guide vanes show an increase in heat transfer performance with a decrease in the friction loss in the turning region and downstream straight passage in comparison with the reference design.     

基于阈值因子的结构可靠性解耦优化方法

基于结构可靠性理论，引入阈值因子的概念，其物理意义为当前最优解满足可靠性约束需将阈值增减的幅度。随着迭代的进行，对于有效约束，阈值因子收敛于1，能够使得最可能失效点快速向满足可靠性约束的极限状态曲面靠拢，优化效率得以提升。解耦模型中，优化变量可为随机变量也可为非随机变量，当优化变量为随机变量时，采取优化变量拆解方式进行计算。数值算例表明，本文方法对优化变量拆解方式不敏感，对有效约束和非有效约束均能够获得满意的优化结果，且计算效率明显高于经典方法。     

Flow irregularity and wear optimization in epitrochoidal gerotor pumps

The Gerotor pumps have a vast number of applications in industries and automobiles. The flow rate irregularity and wear rate proportional factor influence on the lifetime of the Gerotor pumps. In this paper, the optimization problem cost functions and constraints have been developed according to volumetric, dynamic and geometric properties. In order to have general optimum solution and reduce number of design variables, all variables have changed to non-dimensional variables by using the outer rotor lobe center radius which causes the non-dimensional cost functions too. The multi-objective optimization problem has been changed to single objective optimization problem by using a multi-objective optimization classical method. The single objective optimization problem has been solved by using of a mixed integer nonlinear optimization algorithm. The optimization programming has been implemented for several values of number of the outer rotor teeth, non-dimensional displacement and rotors width. On the other hand the influence of varied parameter such as number of outer rotors teeth, the value of non-dimensional displacement and non-dimensional rotor width have been surveyed on each of cost functions. The results show in constant input torque, as using greater number of outer rotor teeth up to critical value improves the wear of teeth. Also optimum value of flow rate irregularity in odd values of outer rotor teeth is smaller than even ones. At last for having better comparison, two sample commercial pumps have been optimized. The results show both wear rate proportional factor and flow irregularity have been significantly improved.