基于三周期极小曲面和体素距离场的复杂轮廓点阵结构建模

随着增材制造技术的快速发展,基于三周期极小曲面(triply periodic minimal surface, TPMS)的点阵结构因具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控等优点,在结构轻量化设计、生物植入物中得到广泛应用。但TPMS点阵结构的建模存在过程繁琐、易出错、计算时间长等问题,如何高效、稳定地建模出具有复杂轮廓的TPMS点阵结构成为亟待解决的问题。笔者基于TPMS和体素距离场提出了一种复杂轮廓TPMS点阵结构的建模方法。通过移动立方体法构建TPMS单元三角面片模型;基于点与几何模型的拓扑位置关系,将空间中的点体素化,并提取模型轮廓边界的点。通过计算边界点的距离场,并与TPMS的距离场进行布尔运算,实现复杂轮廓TPMS点阵结构的建模。实例验证表明,该方法能够高效、稳定地建模复杂轮廓TPMS点阵结构。     

微类桁架点阵结构填充内冷通道的多目标优化设计

为发展集热控、承载和轻量化于一体的新型冷却结构,提出采用点阵结构替代肋片,即在内冷通道中填充金字塔型和X型点阵结构,并对其进行了多目标优化。采用1阶固有频率、等效弹性模量和相对密度来评价结构的振动和轻量化性能,采用翅片法推导的努塞尔数来评价结构的换热性能,以点阵结构的杆件直径和杆件倾角为设计变量,以通道内点阵结构尺寸受限制和杆件屈曲为约束条件,建立了多目标优化模型,并采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解。研究结果表明:对于努塞尔数和相对密度的双目标优化,优化问题对努塞尔数的整体敏感性高于相对密度;对于努塞尔数-相对密度-1阶固有频率的多目标优化问题,整体敏感性从高到低依次为1阶固有频率、努塞尔数、相对密度。分别给出了两类优化问题的Pareto解的拟合公式,可为点阵结构填充内冷通道的多目标优化设计提供指导。     

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.     

点阵结构技术在航天飞行器的应用分析

未来航天飞行器向着隐身化、多功能化、智能化等方向发展,对飞行器结构系统提出了轻质、结构功能一体化等需求.点阵结构是先进轻质超强韧材料之一,是实现轻质结构功能一体化的有效载体.介绍点阵结构技术的发展与应用,对点阵结构技术在未来航天飞行器的应用前景进行了初步探讨,并指出点阵结构在航天飞行器的应用方向主要包括点阵夹层圆柱壳结...     

隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法

为实现多孔单胞构型对多孔结构功能特性的调控,提出隐式曲面梯度多孔结构拓扑优化设计方法。在三周期极小曲面隐式水平集函数中引入罚函数,保证小体积分数下曲面的连续性。对惩罚的隐式函数线性加权构造混合水平集函数,实现多孔结构混合参数化建模。采用数值均匀化法评估多孔结构的宏观等效弹性属性,并通过径向基插值函数构建等效弹性张量关于混合权重因子的显式表达式。以混合权重因子为设计变量,建立柔度最小化拓扑优化模型并采用优化准则法求解。引入Heaviside函数建立高阶连续插值模型,保证梯度多孔结构的高阶连续性。数值案例和实验结果表明,相比于均布多孔结构,所设计的梯度多孔结构的鲁棒性和承载特性更优,且不同单胞构型的梯度多孔结构功能特性相异。所提方法能有效应用三周期极小曲面梯度多孔结构设计,实现多孔单胞构型对结构功能特性的调控,丰富了多孔结构的力学内涵。     

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性,因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景. 通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计,可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能. 利用仿真模拟数据,基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化. 以面心立方（face center cubic,FCC）结构梯度点阵材料为研究对象,通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计. 通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应,包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线. 基于随机森林模型,以各层胞元的相对密度为输入,实现对点阵材料端面峰值应力的预测,并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层. 将网格搜索算法与训练好的随机森林对接,分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标,获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值. 模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内. 数值模拟验证结果表明,优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.      

胞元结构对点阵多孔材料力学性能的影响

为丰富点阵多孔材料的胞元结构,提高点阵多孔材料力学性能,文中以PA12(尼龙)粉末为原料,采用激光粉末烧结(SLS)技术制备了正立方体、小斜方截半立方体和大斜方截半立方体3种晶胞单元结构的尼龙点阵多孔材料试样,并通过准静态压缩试验获得了3种不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料的工程应力应变数据。结果表明,胞元结构对尼龙点阵多孔材料的压缩强度、弹性模量等力学性能影响较大;小斜方截半立方体尼龙点阵多孔材料在3种胞元结构中表现出最优的力学性能。最后,通过扫描电镜对断口形貌进行观察与分析,发现尼龙点阵多孔材料的加工缺陷会影响其力学性能;准静态压缩的尼龙点阵多孔材料其断裂模式为韧性断裂,与试验结果一致。     

基于杂交元和变密度法的连续体结构拓扑优化设计

将杂交元推广于结构拓扑优化设计,推导了拓扑优化中数值计算和敏度分析的基本方程,对等参元和杂交元的拓扑优化结果进行了对照,最后的优化布局表明：使用杂交元能得到较好的拓扑优化结果,再实施过滤技术,优化结果会更加精致。杂交元不仅能提供更高精度的拓扑优化结果,而且还能进一步克服等参元难免的棋盘格式问题。     

基于等几何分析的参数多孔结构拓扑优化

利用等几何分析方法求解薄板多孔结构最小柔度拓扑优化问题,在材料均匀分布的设计域中实现最佳的特征参数分布,以提高薄板多孔结构的力学性能.通过三向周期极小曲面(TPMS)设计多孔单元,并分析多孔单元特征参数与材料分布间的关系.该方法以多孔单元特征参数为优化变量求解优化问题,保证了静力平衡分析过程中应力函数的连续性,提高了计...     

二维准格点阵的算术结构

Penrose拼砌是考察准晶准周期结构的基本模式 .计算了准格点集在适当坐标系下的坐标 ;给出了准格点坐标的一般算术表达式 .此方法及所得结论对于投影点集、自相似变换或者其他有限构型的准格点阵都成立 ,并使得这些点集的坐标能够用统一的形式表示 ,故具有一般性 .     

ANSYS环境下基于离散变量的网架结构优化设计

以通用有限元分析软件ANSYS作为运行环境,将网架结构的杆件截面面积作为离散的设计变量,以网架结构的总质量为目标函数,同时考虑网架的强度、刚度、稳定性以及截面尺寸等约束条件,采用一维搜索方法和改进的应力比法等优化方法,对网架结构进行了优化. 工程实例计算表明:该优化算法原理简单,收敛速度快,能在保证安全的基础上降低工程造价,取得较好的优化设计结果.     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

直接基于位移的橡胶支座隔震结构性能设计方法

将隔震结构简化为等效单自由度系统(ESDOF),隔震层采用铅芯橡胶支座,应用直接基于位移的性能设计方法(DDBD)分析隔震结构。重点讨论多自由度隔震结构(MDOF)向单自由度等效体系的转化方法,分析体系等效阻尼比、目标位移与等效质量。根据《建筑抗震设计规范》建立了位移反应谱,改进基于位移的性能设计方法的流程。设计高烈度区某隔震工程,假定各楼层的目标位移与体系等效阻尼比,通过性能设计流程最终得出各楼层的剪力分布;对设计的结构进行了时程分析校核,表明方法不但简单有效而且满足工程设计精度要求,可用于隔震结构的初步设计。     

同时存在两类不确定性量的最轻结构设计方法

提出了在概率和非概率两类不确定性量同时存在条件下的最轻结构设计方法,描述了两种可行鲁棒性实现策略,讨论了其优缺点．所提方法应用于一个桁架结构的最轻设计,视材料弹性模量、杆元截面积为概率型变量,载荷为非概率型变量．计算结果表明,随着不确定性量波动变化程度的增加,结构质量亦增加,增加的材料是用于提高结构物抵抗不确定性参数波动变化的能力的．     

空间钢框架结构的二阶渐进弹塑性分析

给出了空间钢框架结构几何非线性有限元列式，可以直接考虑单元的轴向扭转屈曲效应；在此基础上采用塑性流动理论并应用Orbison屈服面方程，得到了空间钢框架塑性铰分析的弹塑性刚度矩阵，用以对空间钢框架结构进行二阶弹塑性分析并可以考虑单元内塑性的发展和内力的重分布；在单元内部采用截面内力跟踪技术以考虑单元内部形成塑性铰的情况．给出的几个算例，说明该方法计算效率高，精度可靠，可以用于大型空间钢框架结构的高等结构分析。     

带有频率约束的索网桁架式可展开天线

针对太空索网桁架式可展开天线的结构特点和性能要求对其结构初始设计进行了优化研究。以刚性周边桁架壁厚和柔性索半径为设计变量,结构重量和天线表面精度为目标函数,结构的基频和应力为约束条件,建立了天线的多目标优化数学模型。本文采用序列二次规划法对这一包含有动力约束的非线性复杂模型进行求解,通过实例计算,得到了较为满意的结果,证明了本文模型与方法的可行性和有效性。