机身低速颤振模型的芯板拓扑优化

摘要

任何飞行器的设计，必须经过大量的风洞试验才能完成从地面到空中的飞跃。基于相似模型的风洞实验是飞行器研制过程中的必经环节之一。 某用于低速颤振风洞实验的飞机模型，其机身模型依据其频率可模拟为承载的芯板结构及模拟机身外形的栅格结构。其中在以往在芯板结构的设计中，均是依据传统的经验设计方法，将其划分为相对芯板平面中心对称的多块不同厚度的区域。该设计方法存在诸多如过于依赖设计者的经验、设计周期长、耗费大量人力物力等问题，且设计出的结构制造十分困难，工序过多。因此需要一种能够有效解决以上问题的设计方法，以期得到更新颖的加工容易、工序简单的结构。 本文利用近年来发展的双向渐进结构优化方法，对芯板结构进行基于频率的拓扑优化设计，代替传统的经验设计方法，得到了较好的优化结构。 首先用改进的双向渐进结构优化方法建立了以多阶频率为目标，体积为约束的连续体结构拓扑优化模型，引入了敏度再分配和人为控制相结合的棋盘格式的抑制方法，并对单元的添加和删除原则进行了探讨。其次，在有限元分析软件中建立了芯板结构模型，进行模态分析后得到了结构的固有频率值和体积等特性参数，为后续的拓扑优化设计提供了优化目标和约束。然后以有限元软件ANSYS实现拓扑优化的模态分析部分，与数学软件MATLAB实现基于频率的双向渐进结构优化算法结合使用，编制了通用的针对板壳结构的频率拓扑优化程序。将优化程序应用于芯板结构的频率优化设计，得到了比较理想的优化结果。最后提取了拓扑图的轮廓，构建了新的结构，表明该方法的有效性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的来源与背景

1.1.1课题的来源

1.1.2课题的背景

1.2拓扑优化研究概况

1.2.1拓扑优化的发展

1.2.2拓扑优化算法

1.2.3双向渐进结构优化方法概况

1.3本文研究的意义和主要内容

1.4小结

第二章基于双向渐进结构优化的频率拓扑优化设计

2.1引言

2.2拓扑优化数学模型

2.3敏度分析

2.4 BESO方法的实施步骤

2.5棋盘格问题

2.5.1棋盘格问题的解决方法

2.5.2本文采用的解决方法

2.6小结

第三章结构拓扑优化程序实现

3.1引言

3.2改进后的BESO方法步骤

3.3程序流程

3.4计算实例

3.5小结

第四章飞机模型芯板结构的拓扑优化设计

4.1引言

4.2芯板结构后段部分拓扑优化设计

4.2.1原结构后段部分模态分析

4.2.2拓扑优化初始模型的建立

4.2.3拓扑优化结果及分析

4.3芯板结构中段部分拓扑优化设计

4.3.1原结构中段部分模态分析

4.3.2拓扑优化初始模型的建立

4.3.3拓扑优化结果及分析

4.4芯板结构前段部分拓扑优化设计

4.4.1原结构前段部分模态分析

4.4.2拓扑优化初始模型的建立

4.4.3拓扑优化结果及分析

4.5小结

第五章拓扑图的轮廓提取

5.1引言

5.2拓扑图轮廓的提取

5.2.1水平集方法

5.2.2基于边缘检测的方法

5.2.3手工提取的方法

5.3小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢