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：新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求,如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果,围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题,就结构优化中的制造工艺约束建模,增材制造工艺参数对结构性能的影响,高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述,并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用,为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。

摘要：为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.

摘要：本文研究了广义周期点阵结构等效力学性能的均匀化计算问题,提出了计算等效弹性矩阵、等效热应力系数与热膨胀系数的均匀化映射方法,将广义周期均匀化问题映射转换为正方形单胞的经典周期均匀化问题,以此揭示了广义周期均匀化方法的内在映射机理,阐明了广义周期均匀化等效性能的基本性质.该方法极大降低了计算求解与编程难度.通过典型数值算例,分析比较了广义周期均匀化映射方法、经典周期均匀化方法与精细尺度有限元方法计算结果的差异.结果表明所提出的映射方法普适性与有效性强,对于静力学、热力耦合问题及动力学固有频率问题均具有良好的计算精度.

摘要：结构的动力学响应设计是复杂装备设计与制造过程中一个不可回避的问题。针对复杂舰载天线座结构的设计需求提出了考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法。以加权频率最大化为目标函数,简谐激励下结构的应力幅值为约束,构建协同优化模型并推导目标函数以及约束函数的灵敏度信息。针对复杂天线座结构板壳实体混合模型,进行协同设计,由拓扑优化结果确定内部材料分布,自由尺寸优化结果确定壳体的大致厚度分布,并在考虑工艺性基础上进行精确尺寸设计。随后对优化模型进行重构并分析校核。采用协同优化方法能够有效减少设计过程中的反复迭代,提升设计效率。设计结果表明,该方法能够显著提升结构的固有频率,大幅降低最苛刻工况下结构最大应力、位移幅值,实现性能更为优异的天线座结构设计。

摘要：应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总质量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知:散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。

摘要：发射架是车载发射装置的关键承力构件之一,其结构刚度和固有频率等静动力学特性对导弹发射精度具有重要影响。以某车载导弹发射架为研究对象,通过多种行军过载和载弹工况的有限元建模与分析对比,研究发射架的受载特点,提出导弹装填、卸载和发射作业序列规划的一般指导原则。进而对发射架结构进行多工况条件下的拓扑优化,讨论挤压约束、最小和最大尺寸约束对拓扑优化结果的影响。根据拓扑优化构型对发射架进行重构设计,对优化设计进行有限元校核分析。分析结果表明,与原有设计相比,拓扑优化设计后的发射架结构减重超过10%,且几乎所有考虑工况下的刚强度均得到改善,刚度最大增幅达到21.47%,等效应力最大降幅达到31.97%;前6阶固有频率提升超过12%,对于减小发射扰动具有重要意义。

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：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：多组件结构系统整体优化设计通过协同优化支撑结构拓扑构型和组件布局来使结构系统的位移响应最小。本文提出通过模态加速度法(MAM)求解多组件结构系统的位移响应,并以位移响应值最小作为优化目标;引入多点约束(MPC)方法模拟组件与设计域间的铆钉或螺栓连接形式;采用有限包络圆法(FCM)来避免组件之间及组件与设计域边界产生干涉。建立了多组件结构系统整体优化问题的数学模型,并对动响应目标函数关于设计变量的灵敏度进行了推导。最后,通过几个算例验证了整体优化方法在简谐力激励下求解问题的可行性及其在实际问题中的有效性。