基于Ordered SIMP插值模型的 点阵-实体复合结构拓扑优化设计方法

为了提高点阵材料结构件的力学性能,提出了一种基于Ordered SIMP方法的点阵-实体复合结构拓扑优化方法.采用一种三维X型微结构单元作为点阵材料,通过数值拟合建立点阵材料相对密度与其等效物理属性之间的函数关系.在宏观结构拓扑优化问题中,以点阵材料等效密度为设计变量,基于Ordered SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的多材料插值模型,进而,以材料体积用量为约束,以结构柔度最小化为目标实现点阵-实体复合结构的多尺度拓扑优化设计.通过数值算例和实验测试表明,相比于仅使用点阵材料填充的设计,本方法能够获得更好的结构刚度.     

X型桁架阵列通道流动及传热性能的数值研究

为提高涡轮叶片中弦区的冷却效果,提出了一种力学性能优异、导热和对流传热性能均优良的X型桁架阵列结构,并填充于叶片中弦区内冷通道之中。采用耦合传热数值方法开展了X型桁架阵列冷却通道的数值模拟研究,分析了雷诺数(Re为10 000～60 000)、桁架杆直径比(d/D为0.037 5～0.075)、桁架杆夹角(α为30°～60°)和桁架杆倾角(β为15°～45°)对X型桁架阵列通道流动和传热性能的影响规律,拟合得到了有关X型桁架阵列通道流动和传热性能的经验关联式。研究结果表明:X型桁架通道的摩擦系数随雷诺数Re的增大以及桁架杆直径比d/D和夹角α的减小而降低,随倾角β的增大而先提高后又降低;在研究参数范围内,桁架杆表面平均努塞尔数大约是通道壁面平均努塞尔数的2.32～4.41倍;增大Re、d/D、α和β使得X型桁架阵列通道的整体平均努塞尔数有效提高;减小Re和d/D、增大α和β,使得X型桁架阵列通道的基于整体平均努塞尔数的综合热力系数有效提高。     

精密仪器承载板的多尺度轻量化设计

针对过载下航空零件精密仪器承载板的结构轻量化和力学性能提升的需求，融合拓扑优化和点阵优化的优点，以结构最小柔顺度为约束、质量最小化为目标，提出了一种拓扑优化与点阵优化相结合的多尺度轻量化设计方法，并对关键参数格栅结构、格栅填充比和体积约束设计了三因素三水平正交实验，在保证安全性能的前提下使优化件达到质量最轻。结果表明，多尺度轻量化后的仪器承载板的质量减轻了85.2%,过载下的变形降低了29.07%,结构的动力学性能得到提升。在拓扑优化基础上再采用格栅结构填充的多尺度优化设计方法可降低优化件的质量，为航空领域中承载板类零件的轻量化设计提供了参考。     

TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计

三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计主要集中于密度梯度层面,未综合考虑载荷方向对其力学性能的影响。为此,首先研究了TPMS点阵结构的各向异性特征。基于平均场均匀化方法求解了不同类型TPMS点阵结构的等效弹性矩阵,通过Matlab插值计算,绘制了其在三维空间范围内的杨氏模量图。发现不同类型的TPMS点阵结构呈现出不同的各向异性特征,其中W点阵结构在[100]等轴线方向上性能较强,在[111]等斜向对角方向上性能较弱,而P点阵结构则刚好相反。根据TPMS点阵结构的各向异性,同时考虑主应力方向以及相对密度分布对其性能的影响,提出了TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计方法。以悬臂梁模型为基础,基于载荷边界条件对其进行拓扑优化设计,并将拓扑优化密度云映射为点阵结构的相对密度分布,从而实现密度梯度设计。根据TPMS点阵结构的各向异性特征以及单元主应力方向分别选择W和P点阵单胞填充悬臂梁,使主应力方向位于点阵结构性能较强的方向,避免点阵结构在性能薄弱的方向承受较大的应力。将不同类型的TPMS点阵单元合理分布后,利用激活函数将它们进行杂交连接,实现结构梯度设计。综合相对密度分布和单元结构分布,生成密度梯度杂交点阵结构。采用有限元仿真方法对比分析优化设计前后点阵结构的承载性能,结果表明密度梯度W和P点阵结构的刚度与对应的均质点阵结构相比都有明显提高,而由W和P两种点阵单胞组成的密度梯度杂交点阵结构刚度最大,比密度梯度W和P点阵结构分别提高4.63%和33.63%。该结果表明在密度优化的基础上,根据承载时单元主应力方向将不同类型的点阵结构进行合理分布以及混合杂交设计能够进一步提高结构的整体刚度。建立的TPMS点阵结构密度梯度杂交优化方法为其在轻量化设计等方面的应用提供了一定的指导。     

燃气透平叶片树状分形内冷微通道的换热特性实验研究

针对燃气透平叶片内部对流冷却特点,基于能量输运原理和分形几何理论生成了适用于叶片内部流体输运的分形网络,并设计了4级T型树状分形分叉微通道内冷结构。在建立的透平叶片内冷微通道对流冷却实验平台上,研究了通道进口雷诺数和加热功率对空气的努塞尔数、摩擦系数和强化换热因子的影响。结果表明:当雷诺数从194增大到19 400时,空气的平均努塞尔数增大148.5%,摩擦系数从0.78减小到0.009,最大强化换热因子在通道进口雷诺数为17 300时获得;加热功率从10 W增大到110 W时,平均努塞尔数降低35.9%,而摩擦系数几乎不变,加热功率为10 W时具有最佳的强化换热特性;分叉结构耦合共轭传热效应显著提高了第2、第3级微通道的当地努塞尔数;相比于前3级通道,末级通道的换热性能受雷诺数和加热功率的影响更为突出。     

基于灵敏度分析的车门轻量化研究

利用Hyperworks建立某车型车门的有限元模型,对车门固有频率、下沉刚度进行求解,并通过模态试验验证了有限元模型的有效性。为了提高结构优化效率,采用灵敏度分析方法确定对车门质量、下沉刚度和一阶固有频率敏感的部件。然后,以质量和下沉刚度为设计目标,一阶固有频率为约束条件对车门相应部件厚度尺寸进行多目标优化设计。计算结果显示,优化后的车门质量下降明显,下沉刚度有所提高,且一阶固有频率基本保持不变,实现了结构的轻量化目标。     

基于近似模型的汽车除霜出风口参数优化设计

文章将空调出风口几何尺寸和出风角度参数定义成设计变量,设计目标为风窗玻璃A、B区平均努塞尔数.通过设计实验选取30个样本点,采用Kriging模型建立近似模型,并利用多岛遗传算法对该近似模型进行优化设计.优化结果表明,优化后风窗玻璃A、B区平均努塞尔数分别了提高16.70％.和14.30％.     

分支结构血管中血液的对流换热分析

用有限元方法数值模拟了血管分支结构内血液流动的三维速度场和温度场,得到了分支血管壁面3个典型径向角度的局部努塞尔数和血管截面平均努塞尔数沿管长的变化曲线.结果表明:分支血管入口处的速度场和温度场分布与单管的分布明显不同;不同径向角度的局部努塞尔数相差很大;分支血管入口处截面平均努塞尔数大于单个直管内截面平均努塞尔数,且出现一个极大值Numax.计算了不同分支角度和分支半径比时的截面平均努塞尔数,结果表明:分支角度和半径比对Numax的大小和位置有一定影响;半径比越小,分支血管内截面平均努塞尔数趋于稳定值的速度越快.     

汽车转向节静动态特性分析与多目标拓扑优化

为使复杂工况下运行的SUV汽车在满足各项性能要求的基础上实现轻量化,以汽车转向节为研究对象,利用变密度连续体结构拓扑优化与折衷规划法相结合来建立多目标优化函数模型,利用层次分析法确定各子目标的权重,进行多目标拓扑优化,得到了材料的理想分布.优化前后的转向节静动态特性对比分析表明,采用多目标拓扑优化方法设计的汽车转向节在轻量化的基础上提高了其结构的刚度和固有频率,实现了多目标同时优化.     

杆件缺失位置对点阵夹芯结构固有频率的影响规律

分析了芯层不同位置的杆件缺失时,点阵夹芯梁固有频率的变化情况.分别使夹芯梁沿着长度方向缺失一个、两个、四个单胞所含的杆件,然后在缺失杆件数量不变的情况下改变缺失杆件的位置,进而利用有限元软件计算结构的固有频率.研究显示,三种情况下梁的固有频率变化规律较为相似,随着缺失杆件与固支端距离的增加,第一阶固有频率呈现先减小后增...