摘要：多材料结构拓扑优化相比于单材料结构优化具有更大的设计空间,展现出巨大的设计潜力和应用前景。本文基于离散设计变量研究多材料结构拓扑优化,通过建立有效的设计优化方法,获得轻质高效的结构设计。首先,根据离散变量的特点,建立多材料结构拓扑优化模型,由离散变量下约束函数和目标函数的灵敏度信息构造序列近似整数规划子问题,采用运动极限策略限制设计变量的改变量以保证整数规划子问题的近似精度。为了解决离散变量的组合复杂性,采用具有多项式复杂度的正则松弛算法来高效求解(和经典的连续变量算法效率相当)。本文利用多材料结构最小柔顺性优化问题以及最大传热效率优化问题研究离散变量方法的有效性。数值算例表明,离散变量优化方法可以获得稳定迭代收敛的多材料拓扑设计,优化构型中的材料界面清晰分明,有效避免了出现模糊区域。

摘要：[目的]旨在探究掺氢环境下含腐蚀缺陷管道的结构强度劣化规律。[方法]基于试验数据分析X52钢在不同掺氢比例下的承载性能,采用非线性有限元方法研究X52掺氢天然气管道在不同腐蚀缺陷下的结构强度失效机理。[结果]研究结果表明:掺氢比例增大到50.0%时,管道在组合载荷下达到失效的位移最小为2.58 mm,结构韧性劣化程度较大;掺氢比例为25.0%时,缺陷深度越大,结构失效程度越严重,通过对正方形和圆形缺陷的对比,发现正方形缺陷的最大应力高于圆形缺陷。[结论]基于材料性能构建的含缺陷管道模型能够实现对不同掺氢环境下天然气管道服役状态结构承载力劣化程度的评估,所做研究可为新能源管道设计及健康监测提供工程化建议。

摘要：基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

摘要：梯度加筋板结构以其优异性能广泛应用于航空航天、汽车和交通等领域。针对梯度板的渐变结构导致均匀化及两尺度优化设计计算量过大及效率过低的问题,本文采用机器学习方法搭建以微结构变形参数为输入、等效刚度系数为输出的人工神经网络,实现等效刚度的高效预测。在优化过程中,本文引入表征单胞变形的单元设计变量,实现梯度板局部变形的显式控制,并引入映射函数节点设计变量,保证优化过程中单胞的局部变形与映射函数一致,方便两尺度优化结果解耦。数值算例验证了本文方法的有效性和正确性。

摘要：针对来流速度固定、存在多个静态漂浮障碍物和动态障碍物的复杂水环境中胸尾鳍协同推进仿生机器鱼的自主避碰问题,提出了一种基于动态避障风险区域(DAR)的路径规划方法。首先,结合所建立的机器鱼水动力学模型,利用扩展卡尔曼滤波法构造沿障碍物运动方向的类椭球形动态避障风险区域,其长轴与障碍物的运动速度成正比,并通过模糊控制方法对卡尔曼滤波过程的噪声方差进行估计,得到该区域的精确边界;其次,结合机器鱼视场内障碍物的位姿与速度,去除同向运动且速度大于机器鱼的无风险障碍物,实时获得动态环境中的避障风险区域集合,进而得到机器鱼可通行时变区域;最后,根据先避近后避多、边界距离最短原则初步确定先转向、后俯仰的空间避碰策略,进而以障碍物作为外界扰动,设计以期望位姿为输入的非线性模型预测控制器,实时优化得到机器鱼的转弯半径、俯仰角和两侧胸鳍相位差等控制参数,驱动机器鱼安全、快速地通过当前障碍物区域。实验结果表明,机器鱼通过多障碍物区域时,与风险区域边界的最小距离为0.15 m,速度最高达0.15 m/s,空间避障速度最高为0.3 m/s,运动机动性较高且运动轨迹比较平滑,验证了所提方法的有效性。

摘要：相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

摘要：由周期性微结构组成的材料结构因其独特性质在飞行器结构设计中展现出良好的应用潜力。为了避免超材料微结构拓扑优化过程引入的中间密度所导致的灰度模糊设计结果,基于一种离散变量的拓扑优化方法,利用序列近似整数规划和正则松弛算法实现材料体积约束下的微结构拓扑优化设计。利用离散变量的特点首先给出了两种微结构的几何形状初始猜测,并根据这两种初始设计的构型分别进行了体积模量最大化和剪切模量最大化问题的求解。结果表明,微结构拓扑优化设计构型受初始设计和材料体积约束的影响较大,考虑不同的性能目标所获得的优化设计构型差异明显。数值算例展现了文中基于离散变量实现超材料微结构拓扑优化设计的可行性和有效性,避免了中间密度引起的灰度模糊问题,清晰的微结构拓扑构型提高了结构的可制造性。

摘要：介绍了海底管道的CO_(2)腐蚀机理,具体涉及化学反应过程、电化学反应过程、传质过程和成膜过程。其次,总结了海底管道CO_(2)腐蚀影响因素,主要包括元素成分、显微组织决定的材料自身因素,以及介质成分、温度、pH等决定的外部环境因素。汇总了各影响因素对腐蚀速率的经验/半经验规律。重点归纳了海底管道CO_(2)腐蚀模型,详细介绍了原理模型法和经验模型法在腐蚀评估和预测中的控制步骤和边界条件。

摘要：给出了针对粘钢加固钢筋混凝土梁的钢板剥离的有限元模型 ,定义了“剥离应力”与“剥离载荷”,并提出了加固钢板厚度优化设计的数值计算方法。基于建立的有限元模型 ,用 ANSYS软件对实例梁的剥离载荷进行了仿真分析。

摘要：注塑成型优化设计需要完成大量的数值计算.网格能够整合网络中的闲置资源,为协同解决复杂的注塑优化提供了可能.基于Kriging建模和序列线性规划技术,以模具温度、熔体温度、注射时间为设计变量,建立了一个多目标的优化模型,设计了一个注塑工艺优化设计网格算法.该算法能够高效地利用网格的资源优势,协同完成复杂的注塑工艺优化设计.利用该算法,在网格平台上对手机壳注塑工艺参数进行了优化设计.结果表明,所提出的优化模型能够提高产品的成型品质,所设计的网格算法合理且具有较高的效率.