本文關(guān)鍵詞：基于GSFP方法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計

  更多相關(guān)文章： GSFP方法 選材設(shè)計 拓撲優(yōu)化 協(xié)同設(shè)計 強度設(shè)計 疲勞壽命

【摘要】：飛行器等先進結(jié)構(gòu)對輕量化、高性能、低成本、長壽命等多功能要求越來越高,而結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計對實現(xiàn)這些要求起決定性作用。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的主要任務(wù)是選擇合適的材料和確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型(如拓撲、形狀和尺寸)。選材設(shè)計和結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計是獲得高性能結(jié)構(gòu)的兩個重要途徑,而結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)構(gòu)型也依賴于所選擇的材料,因此,材料選材或設(shè)計與結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計相互耦合,需要研究有效的協(xié)同設(shè)計方法。本文研究基于GSFP方法(基于廣義形函數(shù)的參數(shù)化方法)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的選材與拓撲協(xié)同設(shè)計的優(yōu)化模型和求解方法,并將該優(yōu)化方法應(yīng)用于飛機主承力鈦合金結(jié)構(gòu)的選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計,提出新的多材料構(gòu)型,并進行性能評價。具體的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)基于梯度優(yōu)化方法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計的方法研究。針對連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計是離散變量的優(yōu)化問題,基于GSFP插值格式對離散優(yōu)化問題進行連續(xù)化,建立了以結(jié)構(gòu)質(zhì)量為約束,以結(jié)構(gòu)剛度為目標的優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型可以采用梯度優(yōu)化方法求解,提高了計算效率。設(shè)計結(jié)果表明：與初始設(shè)計相比,在相同質(zhì)量下,優(yōu)化結(jié)果的剛度性能有大幅度的提高。設(shè)計結(jié)果驗證了方法的有效性。(2)考慮強度的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的方法研究。將結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與選材設(shè)計相結(jié)合,研究建立基于GSFP方法的材料選擇與結(jié)構(gòu)拓撲協(xié)同設(shè)計的優(yōu)化模型。該模型能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、造價、強度和剛度等多種性能。利用具有極小剛度的弱材料描述孔洞,并將該弱材料作為可選材料；設(shè)計材料描述參數(shù)在空間的分布實現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局以及與結(jié)構(gòu)拓撲的協(xié)同設(shè)計。設(shè)計實例表明：基于GSFP方法的結(jié)構(gòu)的選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計可以得到清晰的多相材料拓撲結(jié)構(gòu)且多相材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能比單一材料結(jié)構(gòu)的性能好；當候選材料種類增加時可以得到性能更好的解；協(xié)同設(shè)計時,強度設(shè)計的優(yōu)化結(jié)果可以緩解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象,而剛度設(shè)計不能。(3)基于選材與拓撲協(xié)同的飛機主承力鈦合金結(jié)構(gòu)長壽命設(shè)計。以飛機主承力鈦合金結(jié)構(gòu)為設(shè)計背景,對其進行選材設(shè)計和協(xié)同設(shè)計,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果提出新的多材料設(shè)計方案并評價其結(jié)構(gòu)性能。結(jié)果表明：選材優(yōu)化得到的新方案與以高強度鈦合金為初始設(shè)計的相比,可以在結(jié)構(gòu)壽命基本不變的情況下,達到減少造價的效果；協(xié)同優(yōu)化得到的新方案與以高強度鈦合金為初始設(shè)計的相比,可以在犧牲較小剛度的情況下,明顯的減少結(jié)構(gòu)的重量和造價,同時提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,達到輕量化、低成本和高壽命的目的。
【關(guān)鍵詞】：GSFP方法 選材設(shè)計 拓撲優(yōu)化 協(xié)同設(shè)計 強度設(shè)計 疲勞壽命
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V221
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-19
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同設(shè)計的研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計10-12
• 1.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計12-14
• 1.2.3 結(jié)構(gòu)選材和結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同設(shè)計14-15
• 1.3 應(yīng)力相關(guān)的拓撲優(yōu)化研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4 本文研究工作17-19
• 2 基于梯度方法的結(jié)構(gòu)的選材優(yōu)化設(shè)計19-32
• 2.1 引言19
• 2.2 設(shè)計參數(shù)化—GSFP方法19-22
• 2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)的定義22-23
• 2.3.1 結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量22-23
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能23
• 2.4 優(yōu)化問題及優(yōu)化模型23-24
• 2.5 數(shù)值算例24-31
• 2.5.1 三桿桁架結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計24-25
• 2.5.2 層合結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計25-29
• 2.5.3 八種候選材料的選材優(yōu)化設(shè)計29-31
• 2.6 小結(jié)31-32
• 3 考慮強度的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計32-57
• 3.1 引言32
• 3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)的定義32-34
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)的總造價32-33
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力33-34
• 3.3 優(yōu)化問題及優(yōu)化模型34
• 3.4 敏度推導(dǎo)34-37
• 3.5 優(yōu)化步驟及優(yōu)化流程圖37-38
• 3.6 考慮強度的結(jié)構(gòu)多材料布局優(yōu)化設(shè)計38-52
• 3.6.1 權(quán)系數(shù)的討論39-43
• 3.6.2 質(zhì)量約束的討論43-45
• 3.6.3 造價約束的討論45-47
• 3.6.4 八種候選材料的設(shè)計47-49
• 3.6.5 三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計49-52
• 3.7 考慮強度的結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計52-56
• 3.7.1 橋式結(jié)構(gòu)的設(shè)計53-54
• 3.7.2 L-型梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計54-56
• 3.8 小結(jié)56-57
• 4 基于選材與拓撲協(xié)同的飛機主承力構(gòu)件長壽命設(shè)計57-72
• 4.1 引言57-58
• 4.2 疲勞壽命的處理方法58-59
• 4.3 優(yōu)化模型的建立59
• 4.4 數(shù)值算例59-70
• 4.4.1 鈦合金結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計60-64
• 4.4.2 鈦合金結(jié)構(gòu)選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設(shè)計64-70
• 4.5 小結(jié)70-72
• 結(jié)論72-73
• 參考文獻73-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況77-78
• 致謝78-79

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 劉書田,曹先凡;零膨脹材料設(shè)計與模擬驗證[J];復(fù)合材料學(xué)報;2005年01期

2 曹春曉;;一代材料技術(shù),一代大型飛機[J];航空學(xué)報;2008年03期

3 高彤;張衛(wèi)紅;Duysinx Pierre;;多相材料結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化:體積約束還是質(zhì)量約束?[J];力學(xué)學(xué)報;2011年02期

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本文編號：1086718