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关于最优导热结构设计的数学模型探讨

关于最优导热结构设计的数学模型探讨

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结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：张永存乔赫廷大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室/工程力学系

最高温度最低是散热结构设计所追求的目标之一。建立合理的数学模型是实现这一设计目标的前提。本文通过一个平板散热器的设计问题,分析了基于现有的散热结构性能指标(热量传递势容耗散,又称散热弱度)的传热结构设计优化模型来实现最高... 详细信息

最高温度最低是散热结构设计所追求的目标之一。建立合理的数学模型是实现这一设计目标的前提。本文通过一个平板散热器的设计问题,分析了基于现有的散热结构性能指标(热量传递势容耗散,又称散热弱度)的传热结构设计优化模型来实现最高温度最低的近似程度,提出了一个基于几何平均温度的散热性能描述指标,并以此为目标函数,建立了一个新的散热结构设计优化模型。通过与传统的基于热传递势容耗散(或散热弱度)最小为目标的设计模型获得的设计以及理论模型(最大温度最小对应的设计)的比较,说明了几何平均温度是描述散热性能的良好指标,所建立的优化模型能够有效获得散热结构的最优设计。

关键词：优化散热结构设计热量传递势容耗散几何平均温度平板散热器

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基于声学准则的阻尼材料分布优化设计

基于声学准则的阻尼材料分布优化设计

引用

结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：杜建镔宋先凯北京清华大学航天航空学院

阻尼材料以其良好的吸能特性在工程结构的减振、减噪设计中得到广泛应用。本文针对阻尼材料结构的声学设计问题进行研究,通过优化两种不同的阻尼材料在结构设计域内的拓扑分布来最小化谐振结构所产生的声场中指定参考面/参考域内的声压... 详细信息

阻尼材料以其良好的吸能特性在工程结构的减振、减噪设计中得到广泛应用。本文针对阻尼材料结构的声学设计问题进行研究,通过优化两种不同的阻尼材料在结构设计域内的拓扑分布来最小化谐振结构所产生的声场中指定参考面/参考域内的声压。在研究中假定结构为线弹性小变形结构,材料阻尼为Rayleigh阻尼,声学介质为无粘、可压缩、小扰动流体。对结构响应采用有限元格式进行计算,对声场采用基于Helmholtz积分的边界元格式进行计算,由于声场在无穷远自由边界的无反射条件在边界积分中能自动得到满足,该格式特别适合于具有开放边界的声场计算。建立了结构有限元-声场边界元格式的耦合系统拓扑优化模型,导出了耦合系统敏感度分析的一般格式及伴随格式。针对高频情况,引入了一个近似边界积分公式来高效地计算声场中任意参考点的声压,其对应的敏感度分析也得到大大简化。另外,研究发现,采用传统的针对刚度或质量的惩罚模型SIMP在高频优化中往往难以有效地消除中间密度,为此提出了针对声学传递矩阵的附加惩罚项,计算表明效果良好。数值算例验证了所提出的结构-声学耦合系统优化方法的有效性和可靠性,并揭示了基于声学准则的拓扑优化结果的有关特性

关键词：结构声学耦合系统拓扑优化声学准则高频近似声学传递矩阵

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二维点阵材料带隙特性分析

二维点阵材料带隙特性分析

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结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：刘书田黄毓大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室

周期性材料或结构常表现出阻断特定频段的波传播的特异性质(带隙性质)。带隙性质可用于滤波、导波等,具有重要的应用前景和研究价值。但材料带隙性质以高频的光波(电磁波)居多,研究表明带隙性质取决于材料的几何性质和物理性质。弹性波... 详细信息

周期性材料或结构常表现出阻断特定频段的波传播的特异性质(带隙性质)。带隙性质可用于滤波、导波等,具有重要的应用前景和研究价值。但材料带隙性质以高频的光波(电磁波)居多,研究表明带隙性质取决于材料的几何性质和物理性质。弹性波和声波波段的带隙性质更有利于隔音、隔振等,具有更重要的应用前景,因此对带隙材料的分析和设计具有理论和工程应用价值。本文研究了二维周期性点阵材料的波传播性质与结构振动的衰减特性,重点研究了特定频率弹性波传播的带隙行为。引入Bloch-Floquet理论,只需研究代表体元,利用有限元方法和相常数表面研究了六边形和反六边形刚架材料的色散性质,通过选取梁单元不同的自由度,模拟弹性波传播的平面内振动和垂直平面振动传播,比较了纵向振动和横向振动传播对应的带隙性质,并计算其通带和带隙的频率范围。研究了弹性波在周期性结构中对应通带与带隙频率的不同传播行为,对受简谐激励的结构局部进行瞬态分析,得到激励作用于单胞内不同位置时,弹性波的不同衰减行为。

关键词：带隙代表体元相常数表面

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多学科优化设计与分析CAE软件二次开发及应用

多学科优化设计与分析CAE软件二次开发及应用

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结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：任鸿频胡月圆安世亚太科技(北京)有限公司浙江大学机械与能源工程学院

现代机械产品的设计变得越来越复杂,在新产品设计过程中涉及到的学科知识也越来也多。目前单学科的分析工具越来越成熟、越来越精密,对复杂机械产品设计来说,最重要的是如何将最新的技术成果和分析工具有效地结合起来。本文提出了一个基... 详细信息

现代机械产品的设计变得越来越复杂,在新产品设计过程中涉及到的学科知识也越来也多。目前单学科的分析工具越来越成熟、越来越精密,对复杂机械产品设计来说,最重要的是如何将最新的技术成果和分析工具有效地结合起来。本文提出了一个基于J2EE标准的软件集成框架。该框架对当前流行的CAD/CAE工具进行了二次开发和集成,解决了针对多领域、多特长的CAD/CAE工具资源分离的现象,有效地利用现有的网络资源对模型文件、数据文件进行统一管理,大大提高了网络资源的交流与共享。该框架以FIPER为核心对Pro/E、ANSYS、ADAMS进行了二次开发和集成,针对复杂机械产品设计中多场耦合的现象利用iSIGHT-FD进行解耦建模,多场分析,并对单元件和子结构进行仿真分析和虚拟实验。实现了在一个平台上将复杂机械产品不同的设计阶段并行进行,多工程师并行设计,异地协同设计的技术难点。软件框架中针对多领域CAD/CAE/CAX建模中的视图一致性难题,给出了一种多学科主视图的建模方法,解决了数字化环境下多学科CAE视图模型藕合仿真的难题。针对多学科优化设计、仿真与虚拟实验三者之间的资源数据共享与互访的难题。探讨并分析出虚拟样机多学科设计优化的集成分析流程,实现了复杂机械产品的多学科集成设计与后续优化仿真与数字样机相结合的平台技术,为机械产品的数字化设计优化仿真与虚拟实验提供了更高层次的应用平台。

关键词：虚拟样机仿真多学科优化设计多学科分析 ANSYS二次开发 iSIGHT-FD二次开发并行求解

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特定方向“零膨胀”的最小柔顺性结构优化设计

特定方向“零膨胀”的最小柔顺性结构优化设计

引用

结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：王斌阎军程耿东大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国... 详细信息

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出了具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具备复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以用来构成承载构件满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此我们假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足预先的设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。

关键词：均匀化拓扑优化零膨胀结构三相材料多目标优化

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一种基于线性物理规划和两极系统集成分析方法的多目标多学科优化方法

一种基于线性物理规划和两极系统集成分析方法的多目标多学科优化...

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结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

作者：韩旭陶友瑞姜潮湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室湖南工程学院机械工程系

多学科设计优化中面临的困难是结构复杂和计算量巨大,多学科设计优化中往往还包含多个相互矛盾的优化目标,因此多目标多学科设计优化是一个更为复杂的问题。本文将线性物理规划应用于多目标多学科设计优化之中,提出了一种高效、直观的... 详细信息

多学科设计优化中面临的困难是结构复杂和计算量巨大,多学科设计优化中往往还包含多个相互矛盾的优化目标,因此多目标多学科设计优化是一个更为复杂的问题。本文将线性物理规划应用于多目标多学科设计优化之中,提出了一种高效、直观的方法来解决该问题。首先,设计者确定线性物理规划中各目标的偏好类型及偏好值,即设定各目标5个满意程度区间的边界值,然后利用ε约束法将多目标问题转换成单目标问题,即将多个目标中的一个作为优化目标,其余的目标转换为约束,且该约束的上界设定为某一个满意程度区间的边界值,再采用两级集成系统分析法进行多学科设计优化,从而得到一个设计优化方案(即一个非劣解)。当改变目标约束上界并且重新进行多学科设计优化时,就可得到多个设计方案(即多个非劣解)。各设计方案的优劣采用线性物理规划评价模型来实现,在该模型中先计算线性物理规划数学模型中的递增权值,再计算各设计方案的综合目标函数值,综合目标函数值最小的方案为最接近设计者意愿的方案,即最优方案。在该方法中,由于只求设计者确定的5个满意程度区间中的非劣解,这样既满足了设计者的要求又避免了求其它非劣解带来的计算成本增加,另外,线性物理规划可以从本质上把握设计者的偏好,也可以减轻多目标设计问题的计算负担,加之两级集成系统分析法是一种综合性能好的多学科设计优化方法,因此本文所提方法能够高效处理多目标多学科问题。本文给出了一个详细的多目标多学科设计优化模型,该模型为一个工程实例即减速器优化,它涉及三个学科(子系统)和两个目标(即体积和应力)。采用本文提出的方法对该模型进行了优化,从5个设计方案中求得了最优设计方案,最优解中的体积和应力值都在可容忍区间,从而也验证了该方法的有效性。通过该算例也说明该方法具有很好的工程应用价值。

关键词：多学科设计优化多目标优化线性物理规划两级集成系统分析方法

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