热-机联合载荷作用下结构优化设计方法研究

摘要

在航空航天领域的研究中，达到更快的飞行速度和更高的飞行高度是设计师永恒不变的追求。近年来高速飞行器成为了研究热点之一，随着飞行速度的提高，飞行器会受到严重的气动加热，为了获得质量更轻的结构型式，需要在既受到机械载荷又受到热载荷作用下进行结构优化设计，这是高速飞行器设计的难点之一。
　　本文以二维结构作为研究对象，进行了热-机载荷作用下结构优化设计方法的研究。首先进行拓扑优化方法研究。一般来说，在机械载荷作用下，结构拓扑优化设计可以以结构力柔度最小作为设计目标，而在热载荷作用下，可以以结构热柔度最小作为设计目标。在综合分析以上两种单目标拓扑优化方法的基础之上，采用权重系数对结构力柔度和结构热柔度进行加权的方法，构建综合考虑热-机载荷联合作用下的拓扑优化目标函数，并利用Matlab软件进行编程，实现了结构的多目标拓扑优化。然后以拓扑优化的结构构型进行结构尺寸优化，在结构尺寸优化的研究过程中，编写python程序进行软件Abaqus和ModeFRONTIER的交互，使用遗传算法实现了热-机联合载荷作用下的结构尺寸优化。最后综合使用拓扑优化和尺寸优化，对一同时承受机械载荷和热载荷的二维板算例进行了优化设计，验证了所提出的优化方法的正确性和有效性，达到了减轻结构重量的目的。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容和组织结构

第二章 热-机联合载荷作用下结构优化设计基本理论

2.1引言

2.2传热学基本理论

2.3热弹性力学基本理论

2.4多目标优化

2.5拓扑优化

第三章 热-机联合载荷作用下结构的拓扑优化

3.1概述

3.2拓扑优化目标函数和约束条件的选择

3.3结构拓扑优化迭代过程

3.4结构拓扑优化过程分析

3.5数据过滤处理

3.6有限元分析

3.7结构拓扑优化验证算例

3.8本章小结

第四章 热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化及其与拓扑优化的关联

4.1引言

4.2热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化

4.3热-机联合载荷作用下结构的尺寸优化与拓扑优化的关联

4.4本章小结

第五章 热-机联合载荷作用下结构优化方法的综合应用

5.1引言

5.2算例简介

5.3结构尺寸优化设计结果

5.4结构综合优化设计结果

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究工作的总结

6.2研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的文章

附录 拓扑优化程序