摘要：一体化热防护结构通常处于严酷的非稳态热环境,热载荷作用的时间效应(即瞬态热效应)明显.为了避免瞬态热分析的巨大计算消耗,以往的一体化热防护结构优化设计研究通常将瞬态传热等效为相同热边界条件下的稳态传热,将稳态传热分析的温度场作为设计热载荷.然而,已有的研究表明稳态传热无法准确等效瞬态传热的作用效果,瞬态热效应对结构设计结果具有重要影响.文章研究了考虑瞬态热效应的一体化热防护结构优化设计问题,建立一种考虑瞬态温度和应力约束的一体化热防护结构拓扑优化方法.该方法以SIMP(solid isotropic material with penalization)法为基础,构建两种针对一体化热防护结构的热弹性结构拓扑优化模型:(1)考虑材料体积分数、最大应力和底面最大温度约束,以最小化结构应变能为目标的刚度设计模型;(2)考虑最大应力和底面最大温度约束,以最小化材料体积分数为目标的轻量化设计模型.通过求解瞬态热力耦合方程获得结构的热力耦合静力分析结果;通过响应量在空间和时间域的凝聚积分函数表征结构响应在时域内的最大值,并以此构建相应的约束和目标函数;采用伴随法推导约束和目标函数的灵敏度表达式.通过3个数值算例验证了本方法的有效性.数值算例结果表明,在瞬态传热条件下,本方法能够准确反映瞬态热效应对一体化热防护结构设计结果的影响;相比于基于稳态热分析的设计结果,考虑瞬态热效应的设计结果具有更优的性能.

摘要：实际的工程应用中，钢框架的基本构件大多是根据钢结构设计规范要求，从标准型钢库中选取，所组成的框架结构的截面尺寸非连续变化。因此，钢结构截面优化设计是典型的离散设计变量优化问题。若采用基于启发式的算法（如遗传算法等）进行求解，当可选截面类型较多时，其计算量巨大，求解效率低下。该文通过引入高维拉格朗日插值函数对该离散设计问题进行连续化，建立了可采用梯度优化方法进行求解的钢结构标准截面选型设计模型，并且使得连续化以后的设计变量个数大幅度减少。对给定截面类型种数为2^n个的可选截面集合，其设计变量只需n个即可。具体算例表明：与基于遗传算法的优化方法相比，该方法的计算效率提高1～2个数量级，并且在结构性能基本相当的情况下，得到的型钢种类更少，便于工程应用。

摘要：材料的宏观零热膨胀可以通过两种不同的正热膨胀材料在单胞尺度上的复合实现。该类材料虽然能在较大温度波动环境下保持较高的几何稳定性,但两种材料之间过大的热应力很容易导致材料失效,从而限制其许用温度变化范围(简称许用温变)。为此,提出以单位温升的最大热应力作为零热膨胀材料许用温变的衡量指标,通过解析和有限元数值仿真两种方法,对三种典型弯曲变形机制的零热膨胀材料进行许用温变和刚度特性分析,揭示了单胞可设计参数对其性能的影响规律。结果表明:在满足零热膨胀条件下,通过合理的单胞结构设计和选材设计,可以实现刚度与许用温变双目标共赢。

摘要：对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.

摘要：炮架是火炮的支撑部件,其静刚度对火炮的射击精度有重要影响。基于典型火炮结构的相似性,首先建立适用于典型火炮炮架的简化力学模型,提出检验典型炮架静刚度的评估方法。根据火炮力学模型建立典型火炮初始设计的有限元模型,进行多工况下的静力计算,获得了炮架的刚度性能、位移云图及应力云图,讨论了火炮炮架在不同工况下的变形特征和薄弱环节;其次,根据炮架的变形特征和薄弱环节,采用'改进-评估-再改进'的不断改进优化的策略,最终给出一个较为满意的设计方案。与原设计方案相比,新方案在重量略有增加的条件下,刚度有较大幅度提高,对火炮性能提升有很明显的作用。该研究对火炮炮架的静刚度分析与设计具有一定的参考意义。

摘要：该文重点讨论了前支架对炮口振动水平的影响以及前支架设计的改进。首先采用有限元法,计算了火炮工作过程中结构的瞬态响应,得到了炮口的振动特性曲线;其次,通过参数分析,明确了对发射精度可能产生影响的火炮结构参数及其对炮口振动的影响。研究表明,前支点的位置及前支架的刚度对炮口振动有显著影响。以炮口最大振幅最小为目标,以支架构件尺寸和前支点位置等为设计参数,获得了合适的前置点位置和前支架构件尺寸,新设计的振动幅值显著降低。

摘要：大量工程问题要求结构的局部区域在不同承载工况下保持位移响应的几何稳定性.在结构的特定区域引入可以随承载工况调节的补偿位移是实现这一目标的有效手段.在线弹性小变形范围内,通过最小的变形控制成本,研究了多工况下使结构特定位置的位移响应保持几何稳定性的拓扑优化问题.设计目标为在保持结构位移响应几何稳定性的同时实现结构的最大刚度;优化模型包含两类设计变量:结构拓扑变量及补偿位移变量,两类变量采用分层寻优技术进行耦合.采用伴随法分别推导了目标函数对两类设计变量的敏度求解格式.结果表明,该优化模型能够在兼顾成本的同时较好地实现结构的变形控制目标.

摘要：渐进均匀化方法具有严格的数学基础,预测周期性复合材料的等效热传导系数具有较高的计算精度。本文提出了基于渐进均匀化方法预测周期性复合材料等效热传导系数的新算法。相比原有的算法具有两个优点:它的实现与代表体元方法一样简单,新的算法以现有的有限元商业软件为黑箱,通过简单的几个分析步骤,即可以获得复合材料的等效热传导系数;可以利用商业软件提供的多种单元类型去离散同一个单胞,在处理复杂几何单胞结构时,可以节约大量的计算费用。通过几个典型的算例,验证了方法的有效性。该工作对于推广渐进均匀化方法在预测复合材料等效热传导系数的广泛应用具有积极作用。

摘要：将几何平均温度作为最高温度的近似引入到散热结构拓扑优化中,建立了新的散热结构拓扑优化模型,采用伴随法推导了与该函数对应的灵敏度分析列式,并通过比较最高温度、最大温度梯度以及温度方差(衡量温度场均匀程度的指标)等特征指标来研究基于几何平均温度的优化模型与两个传统优化模型在散热结构拓扑优化设计中的差异以及各自适用的设计范围。

摘要：复合材料蒙皮稳定性是飞机翼面结构设计需要考虑的重要方面。由于翼面结构稳定性理论分析的复杂性,工程中,通常采用与理论分析相比拟的简化方法、使用简便可靠的经验公式在设计过程中进行稳定性校核。多墙式结构是当前翼面结构中普遍采用的结构形式,墙的布局和蒙皮的厚度对复合材料蒙皮的临界屈曲载荷有着重要影响。因此,针对多墙式翼面结构,以工程经验公式为基础,以蒙皮单位长度上的的重量为优化目标,以墙的布局参数和蒙皮厚度为设计变量,以临界失稳载荷为约束,建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型,导出了目标函数敏度计算的解析式,并提出了优化问题的求解方法。以翼盒结构为例,验证了该方法的有效性。