检索结果-内蒙古大学图书馆

航空学报 2024年第10期45卷 205-224页

作者：许敉毛泽钡王博李桐大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

各向异性材料广泛存在于各种机械设备的承重构件中。与各向同性材料不同,各向异性材料中不同材料相的分布和方向,可以根据载荷条件调整承重构件的力学性能。本文提出了一种各向异性材料分布的优化方法,即等效变形模量(EDM)算法,以有效... 详细信息

各向异性材料广泛存在于各种机械设备的承重构件中。与各向同性材料不同,各向异性材料中不同材料相的分布和方向,可以根据载荷条件调整承重构件的力学性能。本文提出了一种各向异性材料分布的优化方法,即等效变形模量(EDM)算法,以有效地优化各向异性薄板的承载能力。该算法实现了对薄板抗弯能力的多模态协同优化,解决了传统优化算法中特征值重叠的问题,在航空领域中将起到重要作用。以短纤维增强聚合物薄板的纤维取向优化为例,在不改变薄板质量和形状的前提下,与传统优化算法相比,EDM算法可以将临界屈曲载荷提高28.9%,将计算成本降低98.1%。此外,EDM算法还被应用于机身中形状不规则的承重构件设计中,并使其临界屈曲载荷提高27.2%~30.8%。

关键词：特征值等效变形模量多模态协同优化材料分布屈曲分析

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数据驱动的曲面构件形状-拓扑协同优化方法

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航空学报 2024年第2期45卷 275-286页

作者：高天贺田阔黄蕾张澍李增聪大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室工程力学系大连116024

针对紧凑设计空间下曲面构件极致轻量化需求,提出一种数据驱动的曲面构件形状-拓扑协同优化方法,主要包括离线、在线和更新3个阶段。离线阶段中,首先通过拉丁超立方采样方法在设计空间内采样,并利用网格变形技术进行参数化建模,获得样... 详细信息

针对紧凑设计空间下曲面构件极致轻量化需求,提出一种数据驱动的曲面构件形状-拓扑协同优化方法,主要包括离线、在线和更新3个阶段。离线阶段中,首先通过拉丁超立方采样方法在设计空间内采样,并利用网格变形技术进行参数化建模,获得样本点对应的网格模型。然后对上述网格模型分别进行拓扑优化,获得优化后的应变能。基于上述步骤获得的样本数据,训练径向基函数代理模型,其中形状设计变量为输入,拓扑优化获得的应变能为输出。在线阶段中,将基于离线阶段获得的代理模型开展优化设计,采用协方差矩阵自适应进化策略来提高优化效率。更新阶段中,计算代理模型优化结果的真实响应,并将其加入样本数据集进行代理模型更新。最后,通过简支梁和航天器舱门算例开展算法验证。结果表明相比针对固定形状获得的拓扑优化结果,提出方法优化获得的应变能结果分别降低了20.08%和37.93%,表明提出方法具有更优的设计能力。

关键词：形状-拓扑协同优化网格变形数据驱动曲面构件径向基函数

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曲面加筋结构拓扑优化结果参数化重构方法

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航空学报 2024年第24期45卷 94-105页

作者：金栢成田阔黄蕾大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室工程力学系大连116024

曲面加筋结构拓扑优化密度场结果,存在不连续、过小结构特征等问题,难以直接应用于后续精细设计及加工制造,而基于人工经验进行的特征提取及模型重构,存在操作繁琐、重构周期长等问题。针对上述问题,提出了一种面向曲面加筋结构拓扑优... 详细信息

曲面加筋结构拓扑优化密度场结果,存在不连续、过小结构特征等问题,难以直接应用于后续精细设计及加工制造,而基于人工经验进行的特征提取及模型重构,存在操作繁琐、重构周期长等问题。针对上述问题,提出了一种面向曲面加筋结构拓扑优化结果的参数化重构方法。首先,针对曲面加筋拓扑优化结果,建立一种三维曲面空间与二维平面空间的映射关系,并基于正向网格映射实现曲面优化结果向平面优化结果的转换;然后,针对平面优化结果,基于图像形态学方法实现轮廓特征参数化提取,并采用样条曲线插值方式实现几何模型重构,获得平面优化结果参数化模型;最后,基于逆向映射网格映射方法,获得曲面优化结果参数化模型,实现曲面加筋结构拓扑优化结果的参数化重构。基于所提出的方法,以承力筒、舱门及密封舱这3种典型曲面加筋结构为对象开展算例研究,并将重构结果与优化结果进行对比。结果表明,参数化重构模型的结构响应与拓扑优化结果误差在5%以内,表明提出的方法具有优异的重构精度。

关键词：曲面加筋结构网格映射图像形态学特征提取参数化重构

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航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展

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宇航学报 2023年第4期44卷 596-606页

作者：王博郝鹏田阔马祥涛冯少军大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法,聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结;针对薄壁结构,分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向;针对连接结构,总结了传... 详细信息

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法,聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结;针对薄壁结构,分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向;针对连接结构,总结了传力路径与区域应力调控两大类设计方法。此外,就轻量化结构的高精度实验方法与数字孪生模型等共性关键问题进行梳理,并展望了未来航空航天结构轻量化设计方法发展前景,为未来研究工作和装备研发提供参考。

关键词：航空航天结构轻量化设计薄壁结构连接结构优化方法

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深潜器钛合金耐压壳蠕变屈曲强度评估方法研究

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中国造船 2024年第2期65卷 25-36页

作者：郭育豪刘刚大连理工大学船舶工程学院大连116024 工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

深潜器钛合金耐压壳存在室温蠕变现象,会减弱耐压壳结构的屈曲极限强度,发生蠕变屈曲破坏。论文以钛合金圆柱形耐压壳为研究对象,考虑结构初始缺陷幅值、蠕变载荷和蠕变时间的影响,通过数值模拟研究蠕变变形对耐压壳非线性屈曲强度的影... 详细信息

深潜器钛合金耐压壳存在室温蠕变现象,会减弱耐压壳结构的屈曲极限强度,发生蠕变屈曲破坏。论文以钛合金圆柱形耐压壳为研究对象,考虑结构初始缺陷幅值、蠕变载荷和蠕变时间的影响,通过数值模拟研究蠕变变形对耐压壳非线性屈曲强度的影响。研究表明:蠕变变形会加剧结构初始缺陷的幅值,减弱耐压壳结构的非线性屈曲强度。另外,钛合金耐压壳存在蠕变屈曲现象,蠕变屈曲的临界时间对结构初始缺陷幅值极为敏感。建立了钛合金耐压壳室温蠕变屈曲临界时间与蠕变载荷之间指数关系的模型,可以快速评估深潜器在指定作业时间下的最大下潜深度。对于不同临界时间下的蠕变载荷,该模型拟合结果与数值计算结果的相对误差均在±2%以内。

关键词：钛合金耐压壳室温蠕变蠕变屈曲极限强度数值模拟

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船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

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中国造船 2023年第4期64卷 41-56页

作者：王键伟袁奎霖季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116023 大连理工大学船舶工程学院大连116023

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷,对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间,对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析,合理制定光纤光栅传感器的... 详细信息

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷,对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间,对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析,合理制定光纤光栅传感器的安装方案,采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上,针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明:肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量;海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏,冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性;高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。

关键词：船舶结构现场测量冰载荷识别时空分布冰激应变

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基于双向密度函数的空天轴对称结构拓扑优化

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航空学报 2024年第S1期45卷 161-173页

作者：时永鑫田阔王博大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024 大连理工大学工程力学系大连116024

通过拓扑优化得到的结构优化构型往往因存在内部封闭孔洞而导致难以满足工艺约束。为实现对拓扑优化结果的特定形状控制,面向空天装备中的轴对称结构,基于变密度法提出了一种双向密度分布函数。首先,通过将设计变量由每个单元的伪密度... 详细信息

通过拓扑优化得到的结构优化构型往往因存在内部封闭孔洞而导致难以满足工艺约束。为实现对拓扑优化结果的特定形状控制,面向空天装备中的轴对称结构,基于变密度法提出了一种双向密度分布函数。首先,通过将设计变量由每个单元的伪密度转化为双向密度分布函数的控制参数,拓扑优化过程中结构材料将沿特定方向变化,最终的伪密度场分布也将随着双向密度分布函数具体表达形式的不同而改变。然后,使用一种线性加权过滤方法对设计变量进行过滤以获得更加光滑的材料边界。进而,针对结构质量和最大von Mises应力响应,分别开展了二者对设计变量的敏度分析,并搭建了在质量约束下,结构最大von Mises应力最小化的拓扑优化框架。同时,为避免拓扑优化过早陷入局部最优解,在迭代过程中针对灰度单元控制参数和应力P-范数系数采用延拓更新的方式。最后,使用典型空天轴对称结构航空发动机轮盘开展算例验证,在满足质量约束的前提下,材料分布在优化过程中朝着应力最小化的方向逐步演化,得到的拓扑优化构型材料/孔洞界面清晰、应力分布均匀、材料利用率高,证明了所提方法的有效性。

关键词：拓扑优化双向密度分布函数空天轴对称结构敏度分析制造约束

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基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法

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航空学报 2024年第S1期45卷 148-160页

作者：张澍田阔郭聪大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024 大连理工大学工程力学系大连116024

航天结构优化中常面临设计空间复杂、非线性程度高等问题,基于高保真度模型优化耗时长,难以在紧迫的研发周期内完成优化设计。对此提出了一种基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法。首先,针对优化问题建立高、中、低保真度的分析模型... 详细信息

航天结构优化中常面临设计空间复杂、非线性程度高等问题,基于高保真度模型优化耗时长,难以在紧迫的研发周期内完成优化设计。对此提出了一种基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法。首先,针对优化问题建立高、中、低保真度的分析模型;进而,在初始设计空间中采样并基于低、中保真度数据构建代理模型,基于模糊C均值方法聚类,得到初始缩减空间;然后,在初始缩减空间内采样高保真度样本点,基于中、高保真度数据构建代理模型;最终,开展优化并根据响应值最优样本点的位置移动缩减空间,优化迭代得到最优解。为验证所提方法的有效性,针对测试函数算例和多级加筋壳工程算例开展研究。结果表明,对于测试函数,所提方法优化得到的最优解和全局最优解的相对误差分别降低了68.4%和44.4%;对于工程算例,所提方法优化得到的极限承载力相对传统单、变保真度优化方法分别提高了9.0%和14.7%。同时,相比前期工作提出的变保真度静态缩减空间方法,在达到相同极限承载力水平时计算耗时降低了41.5%。综上所述,所提优化方法可充分利用多重保真度数据,对复杂耗时的航天结构工程优化问题具有优化效率高、全局寻优能力强等优势。

关键词：结构优化空间缩减多重保真度多级加筋壳模糊聚类

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基于晶粒形貌的增材制造力学行为数值模拟

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计算力学学报 2024年第5期41卷 837-842页

作者：王艺飞陈静远张昭大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为,本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场,建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化,建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律,从而修正位错动力学模... 详细信息

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为,本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场,建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化,建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律,从而修正位错动力学模型,得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为,且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能,在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时,屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化,这主要是晶粒球化导致的。

关键词：电弧增材制造位错动力学蒙特卡洛模型晶体塑性模型力学性能

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三维裂纹扩展的自适应虚拟节点法

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计算力学学报 2024年第6期41卷 1110-1115页

作者：冯泽洋段庆林陈嵩涛大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

在有限元方法的框架下针对三维裂纹扩展问题发展了自适应虚拟节点法。该方法采用无需裂尖加强函数(和相应的额外自由度)的虚拟节点技术描述裂纹处的间断,并采用单元局部水平集方法对三维裂纹面进行几何描述和追踪。为加速计算,提出了随... 详细信息

在有限元方法的框架下针对三维裂纹扩展问题发展了自适应虚拟节点法。该方法采用无需裂尖加强函数(和相应的额外自由度)的虚拟节点技术描述裂纹处的间断,并采用单元局部水平集方法对三维裂纹面进行几何描述和追踪。为加速计算,提出了随裂纹面扩展的自适应网格加密方法。局部细化网格产生的悬空节点由简便的约束近似技术处理,无需引入额外自由度或特殊单元。发展的自适应虚拟节点法便于数值实现,具有与标准有限元方法相当的鲁棒性。数值结果表明,该方法可有效模拟三维裂纹扩展过程,且能方便地应用于复杂工程结构的多裂纹扩展问题。

关键词：裂纹扩展自适应网格加密虚拟节点法扩展有限元法三维裂纹

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