基于GSFP方法的连续体结构选材与拓扑协同优化设计

发布时间：2017-10-24 03:08

  本文关键词：基于GSFP方法的连续体结构选材与拓扑协同优化设计

  更多相关文章： GSFP方法 选材设计 拓扑优化 协同设计 强度设计 疲劳寿命

【摘要】：飞行器等先进结构对轻量化、高性能、低成本、长寿命等多功能要求越来越高,而结构的概念设计对实现这些要求起决定性作用。结构概念设计的主要任务是选择合适的材料和确定最优的结构几何构型(如拓扑、形状和尺寸)。选材设计和结构几何设计是获得高性能结构的两个重要途径,而结构设计的最优构型也依赖于所选择的材料,因此,材料选材或设计与结构几何设计相互耦合,需要研究有效的协同设计方法。本文研究基于GSFP方法(基于广义形函数的参数化方法)的连续体结构的选材与拓扑协同设计的优化模型和求解方法,并将该优化方法应用于飞机主承力钛合金结构的选材与拓扑协同优化设计,提出新的多材料构型,并进行性能评价。具体的研究内容和结论如下：(1)基于梯度优化方法的连续体结构选材优化设计的方法研究。针对连续体结构选材优化设计是离散变量的优化问题,基于GSFP插值格式对离散优化问题进行连续化,建立了以结构质量为约束,以结构刚度为目标的优化模型。该优化模型可以采用梯度优化方法求解,提高了计算效率。设计结果表明：与初始设计相比,在相同质量下,优化结果的刚度性能有大幅度的提高。设计结果验证了方法的有效性。(2)考虑强度的连续体结构选材与拓扑协同优化设计的方法研究。将结构拓扑优化与选材设计相结合,研究建立基于GSFP方法的材料选择与结构拓扑协同设计的优化模型。该模型能够综合考虑结构的质量、造价、强度和刚度等多种性能。利用具有极小刚度的弱材料描述孔洞,并将该弱材料作为可选材料；设计材料描述参数在空间的分布实现结构布局以及与结构拓扑的协同设计。设计实例表明：基于GSFP方法的结构的选材与拓扑协同优化设计可以得到清晰的多相材料拓扑结构且多相材料结构的结构性能比单一材料结构的性能好；当候选材料种类增加时可以得到性能更好的解；协同设计时,强度设计的优化结果可以缓解结构的应力集中现象,而刚度设计不能。(3)基于选材与拓扑协同的飞机主承力钛合金结构长寿命设计。以飞机主承力钛合金结构为设计背景,对其进行选材设计和协同设计,根据优化结果提出新的多材料设计方案并评价其结构性能。结果表明：选材优化得到的新方案与以高强度钛合金为初始设计的相比,可以在结构寿命基本不变的情况下,达到减少造价的效果；协同优化得到的新方案与以高强度钛合金为初始设计的相比,可以在牺牲较小刚度的情况下,明显的减少结构的重量和造价,同时提高结构的疲劳寿命,达到轻量化、低成本和高寿命的目的。
【关键词】：GSFP方法 选材设计 拓扑优化 协同设计 强度设计 疲劳寿命
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V221
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 结构选材与拓扑协同设计的研究现状10-15
• 1.2.1 结构选材优化设计10-12
• 1.2.2 结构优化设计12-14
• 1.2.3 结构选材和结构优化协同设计14-15
• 1.3 应力相关的拓扑优化研究现状15-17
• 1.4 本文研究工作17-19
• 2 基于梯度方法的结构的选材优化设计19-32
• 2.1 引言19
• 2.2 设计参数化—GSFP方法19-22
• 2.3 结构响应的定义22-23
• 2.3.1 结构的总质量22-23
• 2.3.2 结构的应变能23
• 2.4 优化问题及优化模型23-24
• 2.5 数值算例24-31
• 2.5.1 三杆桁架结构选材优化设计24-25
• 2.5.2 层合结构选材优化设计25-29
• 2.5.3 八种候选材料的选材优化设计29-31
• 2.6 小结31-32
• 3 考虑强度的连续体结构选材与拓扑协同优化设计32-57
• 3.1 引言32
• 3.2 结构响应的定义32-34
• 3.2.1 结构的总造价32-33
• 3.2.2 结构的应力33-34
• 3.3 优化问题及优化模型34
• 3.4 敏度推导34-37
• 3.5 优化步骤及优化流程图37-38
• 3.6 考虑强度的结构多材料布局优化设计38-52
• 3.6.1 权系数的讨论39-43
• 3.6.2 质量约束的讨论43-45
• 3.6.3 造价约束的讨论45-47
• 3.6.4 八种候选材料的设计47-49
• 3.6.5 三维结构的优化设计49-52
• 3.7 考虑强度的结构选材与拓扑协同优化设计52-56
• 3.7.1 桥式结构的设计53-54
• 3.7.2 L-型梁结构的设计54-56
• 3.8 小结56-57
• 4 基于选材与拓扑协同的飞机主承力构件长寿命设计57-72
• 4.1 引言57-58
• 4.2 疲劳寿命的处理方法58-59
• 4.3 优化模型的建立59
• 4.4 数值算例59-70
• 4.4.1 钛合金结构选材优化设计60-64
• 4.4.2 钛合金结构选材与拓扑协同优化设计64-70
• 4.5 小结70-72
• 结论72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 刘书田,曹先凡;零膨胀材料设计与模拟验证[J];复合材料学报;2005年01期

2 曹春晓;;一代材料技术,一代大型飞机[J];航空学报;2008年03期

3 高彤;张卫红;Duysinx Pierre;;多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?[J];力学学报;2011年02期

，

本文编号：1086718