基于GSFP方法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材與拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、飛行器等先進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)輕量化、高性能、低成本、長(zhǎng)壽命等多功能要求越來(lái)越高，而結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)這些要求起決定性作用。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)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?fù)洹⑿螤詈统叽纾?。選材設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)是獲得高性能結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要途徑，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)與結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)相互耦合，需要研究有效的協(xié)同設(shè)計(jì)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

2、與拓?fù)鋮f(xié)同設(shè)計(jì)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(jī)主承力鈦合金結(jié)構(gòu)的選材與拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出新的多材料構(gòu)型，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。具體的研究?jī)?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(jì)的方法研究。針對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材優(yōu)化設(shè)計(jì)是離散變量的優(yōu)化問(wèn)題，基于GSFP插值格式對(duì)離散優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)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(biāo)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(jì)算效率。設(shè)計(jì)結(jié)果

3、表明:與初始設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。
　　(2)考慮強(qiáng)度的連續(xù)體結(jié)構(gòu)選材與拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法研究。將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與選材設(shè)計(jì)相結(jié)合，研究建立基于GSFP方法的材料選擇與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮f(xié)同設(shè)計(jì)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(jià)、強(qiáng)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(jì)材料描述參數(shù)在空間的分布實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局以及與結(jié)構(gòu)拓?fù)涞?/p>

4、協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)例表明:基于GSFP方法的結(jié)構(gòu)的選材與拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到清晰的多相材料拓?fù)浣Y(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(dāng)候選材料種類增加時(shí)可以得到性能更好的解;協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)不能。
　　(3)基于選材與拓?fù)鋮f(xié)同的飛機(jī)主承力鈦合金結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。以飛機(jī)主承力鈦合金結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)背景，對(duì)其進(jìn)行選材設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果提出新的多材料設(shè)計(jì)方案并評(píng)價(jià)其結(jié)