基于GSFP方法的連續(xù)體結構選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設計.pdf

1、飛行器等先進結構對輕量化、高性能、低成本、長壽命等多功能要求越來越高，而結構的概念設計對實現(xiàn)這些要求起決定性作用。結構概念設計的主要任務是選擇合適的材料和確定最優(yōu)的結構幾何構型（如拓撲、形狀和尺寸）。選材設計和結構幾何設計是獲得高性能結構的兩個重要途徑，而結構設計的最優(yōu)構型也依賴于所選擇的材料，因此，材料選材或設計與結構幾何設計相互耦合，需要研究有效的協(xié)同設計方法。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)體結構的選材

2、與拓撲協(xié)同設計的優(yōu)化模型和求解方法，并將該優(yōu)化方法應用于飛機主承力鈦合金結構的選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設計，提出新的多材料構型，并進行性能評價。具體的研究內(nèi)容和結論如下:
　　(1)基于梯度優(yōu)化方法的連續(xù)體結構選材優(yōu)化設計的方法研究。針對連續(xù)體結構選材優(yōu)化設計是離散變量的優(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，建立了以結構質(zhì)量為約束，以結構剛度為目標的優(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。設計結果

3、表明:與初始設計相比，在相同質(zhì)量下，優(yōu)化結果的剛度性能有大幅度的提高。設計結果驗證了方法的有效性。
　　(2)考慮強度的連續(xù)體結構選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設計的方法研究。將結構拓撲優(yōu)化與選材設計相結合，研究建立基于GSFP方法的材料選擇與結構拓撲協(xié)同設計的優(yōu)化模型。該模型能夠綜合考慮結構的質(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;設計材料描述參數(shù)在空間的分布實現(xiàn)結構布局以及與結構拓撲的

4、協(xié)同設計。設計實例表明:基于GSFP方法的結構的選材與拓撲協(xié)同優(yōu)化設計可以得到清晰的多相材料拓撲結構且多相材料結構的結構性能比單一材料結構的性能好;當候選材料種類增加時可以得到性能更好的解;協(xié)同設計時，強度設計的優(yōu)化結果可以緩解結構的應力集中現(xiàn)象，而剛度設計不能。
　　(3)基于選材與拓撲協(xié)同的飛機主承力鈦合金結構長壽命設計。以飛機主承力鈦合金結構為設計背景，對其進行選材設計和協(xié)同設計，根據(jù)優(yōu)化結果提出新的多材料設計方案并評價其結