基于代理模型的结构疲劳寿命优化方法、软件及应用

摘要

结构疲劳失效对飞行安全危害极大,因此开展长寿命设计技术的研究具有重要现实意义。本文针对结构疲劳寿命优化中疲劳寿命估算耗时较长等缺点,提出一种基于代理模型的结构疲劳寿命优化方法,并开发了结构疲劳寿命优化专用软件,将其应用于飞机起落架结构优化中。
　　 提出基于代理模型的结构疲劳寿命优化理论框架。首先,通过对结构整体的疲劳寿命分析找出危险子部件,应用动力学仿真分析获得危险子部件的载荷谱。然后,建立危险子部件疲劳寿命和重量的代理模型,优化危险子部件的疲劳寿命。
　　 对三类常用代理模型和生成样本点的试验设计方法进行较为系统的比较分析,研究发现以拉丁超立方试验设计构建径向基函数模型具有较高的精度和拟合效率,较为适用于构建疲劳寿命的代理模型。
　　 提出最优信息概念,将其引入粒子群算法中,解决了基本粒子群算法后期由于粒子都向局部最小收敛的问题。应用Java语言开发了部件疲劳寿命优化的专用软件,实现了试验设计、径向基函数代理模型的构建和基于粒子群优化算法优化功能。
　　 以某型飞机前起落架为例,按照本文的结构疲劳寿命优化框架,对前起落架整体进行疲劳寿命分析,找出了危险子部件--前撑杆,用动力学仿真分析获取了前撑杆的载荷谱。通过PCL语言建立了前撑杆的参数化有限元模型,构建了前撑杆疲劳寿命和重量的代理模型,最终实现了疲劳寿命优化,其疲劳寿命从1.51×105提高到7.24×105。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 起落架结构疲劳研究现状

1.2.2 结构疲劳寿命优化研究现状

1.2.3 代理模型的应用现状

1.2.4 研究现状总结

1.3 研究内容及方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.4 学位论文框架

第二章 结构疲劳寿命优化理论基础

2.1 引言

2.2 结构疲劳寿命优化框架

2.3 疲劳寿命分析理论基础

2.3.1 S-N曲线

2.3.2 疲劳累积损伤理论

2.3.3 名义应力法

2.4 试验设计

2.4.1 全析因设计

2.4.2 正交试验设计

2.4.3 中心复合试验设计

2.4.4 拉丁超立方设计

2.5 参数化有限元模型

2.5.1 MSC.PATRAN二次开发语言PCL

2.5.2 参数化有限元模型的建立

2.6 代理模型

2.6.1 多项式响应面模型

2.6.2 Kriging模型

2.6.3 径向基函数模型

2.6.4 代理模型的检验

2.6.5 疲劳寿命代理模型分析

2.7 小结

第三章 结构疲劳寿命优化软件开发

3.1 引言

3.2 粒子群算法及其改进

3.2.1 粒子群算法

3.2.2 粒子群优化算法的改进

3.2.3 算例分析

3.3 结构疲劳寿命优化软件构架

3.4 结构寿命优化软件的实现

3.4.1 软件开发语言及数据库的选择

3.4.2 各子模块的实现

3.5 小结

第四章 飞机起落架结构疲劳寿命优化

4.1 引言

4.2 起落架疲劳寿命分析

4.2.1 起落架静强度分析

4.2.2 起落架疲劳寿命分析

4.2.4 危险子部件载荷谱

4.3 前撑杆疲劳寿命优化

4.3.1 前撑杆参数化有限元模型

4.3.2 前撑杆代理模型的建立

4.3.3 基于代理模型的疲劳寿命优化

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 后续研究工作及展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文