热—机联合载荷作用下结构优化设计方法研究

发布时间：2017-08-07 11:31

  本文关键词：热—机联合载荷作用下结构优化设计方法研究

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【摘要】：在航空航天领域的研究中,达到更快的飞行速度和更高的飞行高度是设计师永恒不变的追求。近年来高速飞行器成为了研究热点之一,随着飞行速度的提高,飞行器会受到严重的气动加热,为了获得质量更轻的结构型式,需要在既受到机械载荷又受到热载荷作用下进行结构优化设计,这是高速飞行器设计的难点之一。本文以二维结构作为研究对象,进行了热-机载荷作用下结构优化设计方法的研究。首先进行拓扑优化方法研究。一般来说,在机械载荷作用下,结构拓扑优化设计可以以结构力柔度最小作为设计目标,而在热载荷作用下,可以以结构热柔度最小作为设计目标。在综合分析以上两种单目标拓扑优化方法的基础之上,采用权重系数对结构力柔度和结构热柔度进行加权的方法,构建综合考虑热-机载荷联合作用下的拓扑优化目标函数,并利用Matlab软件进行编程,实现了结构的多目标拓扑优化。然后以拓扑优化的结构构型进行结构尺寸优化,在结构尺寸优化的研究过程中,编写python程序进行软件Abaqus和ModeFRONTIER的交互,使用遗传算法实现了热-机联合载荷作用下的结构尺寸优化。最后综合使用拓扑优化和尺寸优化,对一同时承受机械载荷和热载荷的二维板算例进行了优化设计,验证了所提出的优化方法的正确性和有效性,达到了减轻结构重量的目的。
【关键词】：高速飞行器 多目标拓扑优化 权重系数 尺寸优化 遗传算法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V221
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 引言13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 结构拓扑优化14-17
• 1.2.2 结构尺寸优化17-19
• 1.3 本文主要研究内容和组织结构19-20
• 第二章 热-机联合载荷作用下结构优化设计基本理论20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 传热学基本理论20-22
• 2.2.1 热传导20-21
• 2.2.2 热对流21
• 2.2.3 热辐射21-22
• 2.2.4 导热方程22
• 2.2.5 边界条件22
• 2.3 热弹性力学基本理论22-24
• 2.3.1 热应变23
• 2.3.2 热应力23-24
• 2.4 多目标优化24-27
• 2.4.1 多目标优化模型24-25
• 2.4.2 多目标优化最优解25-26
• 2.4.3 多目标优化算法26-27
• 2.5 拓扑优化27-32
• 2.5.1 拓扑优化方法27
• 2.5.2 拓扑优化模型27-28
• 2.5.3 拓扑优化不同形式28-30
• 2.5.3.1 最小力柔度设计28-29
• 2.5.3.2 强度设计29
• 2.5.3.3 最小热柔度设计29
• 2.5.3.4 热强度设计29-30
• 2.5.4 拓扑优化的数值不稳定现象30-32
• 第三章 热-机联合载荷作用下结构的拓扑优化32-46
• 3.1 概述32
• 3.2 拓扑优化目标函数和约束条件的选择32-34
• 3.3 结构拓扑优化迭代过程34-36
• 3.4 结构拓扑优化过程分析36-37
• 3.5 数据过滤处理37-39
• 3.5.1 单元灵敏度过滤技术37-38
• 3.5.2 单元密度过滤技术38-39
• 3.6 有限元分析39-43
• 3.6.1 温度场的求解39
• 3.6.2 位移场的求解39-40
• 3.6.3 有限元分析验证算例40-43
• 3.6.3.1 温度场的验证算例40-41
• 3.6.3.2 位移场的验证算例41-43
• 3.7 结构拓扑优化验证算例43-45
• 3.8 本章小结45-46
• 第四章 热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化及其与拓扑优化的关联46-55
• 4.1 引言46
• 4.2 热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化46-50
• 4.2.1 有限元分析和前后处理47-48
• 4.2.2 结构尺寸优化迭代过程48-50
• 4.3 热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化与拓扑优化的关联50-54
• 4.3.1 力柔度权重系数为1时拓扑优化与尺寸优化的关联51-52
• 4.3.2 力柔度权重系数为0时拓扑优化与尺寸优化的关联52
• 4.3.3 力柔度权重系数介于0到 1 时拓扑优化与尺寸优化的关联52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 热-机联合载荷作用下结构优化方法的综合应用55-65
• 5.1 引言55
• 5.2 算例简介55-56
• 5.3 结构尺寸优化设计结果56-57
• 5.4 结构综合优化设计结果57-64
• 5.4.1 初步拓扑优化及尺寸优化57-59
• 5.4.2 对初步优化结果的分析59-61
• 5.4.3 进一步拓扑优化及尺寸优化61-62
• 5.4.4 对进一步优化结果的分析62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 研究工作的总结65
• 6.2 研究工作的展望65-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 攻读硕士学位期间发表的文章72-73
• 附录 拓扑优化程序73-76

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本文编号：634486