摘要：智能材料如形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料等,可将驱动、承载、变形、传感集于一体,可作为驱动结构代替传统复杂作动机构,显著提高系统的紧凑性。为满足现有航空航天变体结构的实际需求,设计并验证了一种形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)驱动的可变翼梢小翼。基于开发的三维SMA本构模型,对SMA杆件驱动的翼梢小翼变形过程进行了数值仿真,并分析了不同SMA杆型对翼梢小翼变形能力的影响。结合增材制造技术,对设计出的变形翼梢小翼进行样机制作。进行了单次变弯、往复变弯试验验证,并与数值仿真结果进行分析对比。结果表明,试验测得变形数据和仿真结果吻合良好,设计出的变形翼梢小翼具有较好的变形能力和效果。最后分析了SMA杆冷却速度对变形能力的影响,评估了翼梢小翼变形过程中出现蒙皮屈曲的原因并提出了后续研究方案。

摘要：拓扑优化与增材制造为实现轻质高性能复杂结构提供了全新研制模式。回顾了作者团队近年来围绕拓扑优化与增材制造技术融合研究的相关内容,包括考虑增材制造悬空角、连通性工艺约束的拓扑优化设计方法研究,非均匀点阵结构优化设计方法研究等。以典型民用飞行器结构舱门摇臂及铰链臂结构设计为例,介绍了拓扑优化与增材制造融合技术的工程应用情况。在满足设计指标的前提下,舱门摇臂与铰链臂结构分别减重10%、30%。拓扑优化方法与增材制造技术的融合在航空航天等领域优势明显,但目前以传统的静刚度、静强度等常规承载性能设计为主,工程应用主要集中在功能件和次承力件,未来需要在抗疲劳设计等研究领域进行突破。

摘要：针对高超声速飞行器仪器舱设备安装板结构轻量化和提高静/动力学性能的设计需求,融合轻质点阵结构与传统加筋结构的优点,提出一种点阵-加筋板式结构方案并建立了拓扑优化设计方法。利用均匀化等效方法计算点阵结构的宏观等效力学性能,将其作为一种虚拟材料,建立实体材料-虚拟材料插值模型。以结构整体质量为约束,整体柔顺度最小为目标建立拓扑优化问题,实现点阵-加筋板式结构布局优化设计。以飞行器设备安装板为例,分别完成了传统加筋结构和点阵-加筋板式结构优化设计。力学性能分析表明,在相同质量条件下,点阵-加筋板式结构方案具有更好的力学性能,大过载下的最大变形降低11.17%,简谐激励下位移响应峰值降低73.81%。

摘要：运载火箭发动机机架与舱段传力结构主要负责将发动机的推力载荷有效传递至箭体壳段,是火箭结构系统中的关键部位。为充分考虑重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构之间的耦合影响,寻找合理的传力路径并实现结构高效承载,对其开展了联合最优传力路径分析及结构优化设计。考虑变形、质量、设计空间、制造约束等设计要求,以整体刚度最大化为目标,建立了火箭发动机机架与舱段传力结构的优化模型,开展了一体化优化设计工作;讨论了发动机机架与舱段传力结构间的连接区域参数对整体结构设计的影响,给出了相关设计建议。

摘要：当采用位移法进行型材拉弯成形过程有限元模拟时,需要设计夹头的运动轨迹。针对于拉弯件引导线是复杂的二维变曲率问题难以处理,提出了一种根据型材拉弯零件数模截面形心引导线离散点数据,得出不同预拉量和在拉弯过程中截面中性层内移量与夹头在拉弯过程中的位移轨迹坐标的关系的计算模型,并根据有限元边界条件的定义要求,通过变换和归一处理,建立了拉弯成形模拟过程中夹头的位移边界条件定义数据的计算方法。通过有限元模拟实例验证,表明所建立的拉弯成形夹头轨迹设计算法准确可靠。

摘要：基于统计能量分析(SEA)方法分析了重型火箭超大尺寸整流罩内的中高频噪声响应,为整流罩的降噪设计提供依据。在分析过程中考虑了整流罩内卫星包络结构几何参数和降噪材料参数对噪声响应的影响。首先建立考虑卫星结构的火箭整流罩SEA模型。然后针对卫星复杂的结构形式,提出不同的卫星包络模型,开展了包络模型参数对整流罩内噪声响应的灵敏度分析。结果表明卫星包络结构形式和几何参数对整流罩内噪声响应具有明显的影响,是不可忽视的影响因素。最后通过在整流罩内壁铺设降噪材料,分析各种降噪材料在不同参数下的降噪效果,并给出铺设降噪材料的优化方案。提出的设计方法可以为重型火箭整流罩的降噪设计提供一定理论支持。

摘要：由于增材制造逐层累积的工艺特点,其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料.在航空航天、核工业以及医疗领域中,对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用,这制约着增材制造技术的进一步推广使用.本文以增材制造316钢为对象,通过仿真手段研究其高周疲劳性能,研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因.根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能,其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为.为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能,本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响.最后,为了验证所提微观力学模型的有效性,本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果.与实验结果相同,仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.

摘要：本文提出一种以特征作为结构拓扑优化基本设计要素的方法.该方法从CAD特征设计概念出发,通过采用隐式水平集函数建立结构的特征模型,将结构拓扑优化转化为设计域内特征布局和形状优化问题,避免了传统拓扑优化方法仅从力学性能角度寻优材料分布,导致拓扑优化结果过于抽象、工程特征差的弊端.本文针对给定体积约束条件下的结构柔顺度最小化问题,发展了固定网格框架下结构响应分析与形状灵敏度分析计算方法,理论上保证了灵敏度计算精度与结构水平集函数的数学表达形式无关.最后以带孔悬臂梁结构与飞机发动机支架结构为例,采用超椭圆/球特征设计要素验证了该方法的有效性与优越性.

摘要：针对工程中常见的多钉连接装配结构,提出了一种同时考虑钉载和疲劳性能的拓扑优化设计方法.一方面,将钉载约束考虑到装配结构的拓扑优化设计中,针对结构中大量的钉载约束,采用约束凝聚技术,简化了多约束问题灵敏度求解过程,提高了优化的计算效率.另一方面,将疲劳准则作为设计约束引入到拓扑优化问题中,为了避免因多钉连接结构建模方法引起的不真实应力状态对优化问题产生影响,采用组合单元对连接结构进行建模,用被连接件壳单元上的应力衡量结构疲劳性能,采用P范数凝聚方法对疲劳约束进行凝聚,在此基础上研究了拓扑优化设计中疲劳性能对结构拓扑形式和承载性能的影响.最后通过两个数值算例验证了所提方法的有效性.

摘要：高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。