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基于分析与设计序列迭代方法的三维声子晶体拓扑优化及参数分析
1
作者 王燕 朱奕筱 +1 位作者 吴圣川 亢战 《振动与冲击》 北大核心 2025年第4期97-104,共8页
在常规的声子晶体拓扑优化中,内层的多波矢特征值分析和外层的单胞布局设计变量寻优构成双层嵌套问题,两个层次嵌套式迭代求解导致三维拓扑优化设计面临计算量剧增的难题。为提高优化设计的效率,将用于结构固有频率优化问题的分析与设... 在常规的声子晶体拓扑优化中,内层的多波矢特征值分析和外层的单胞布局设计变量寻优构成双层嵌套问题,两个层次嵌套式迭代求解导致三维拓扑优化设计面临计算量剧增的难题。为提高优化设计的效率,将用于结构固有频率优化问题的分析与设计序列迭代的思想拓展至三维声波声子晶体的拓扑优化,通过将内层特征值问题转化为单次逆迭代获得拓扑优化中间结果对应的逐次近似能带结构,并根据优化结果进行参数化建模以研究三维声子晶体拓扑优化解的带隙特性。通过参数化扫掠,给出了不同参数下的相对带隙和带隙上下界。进一步总结了不同参数对声子晶体带隙的影响,为三维声波声子晶体构型设计提供指导。 展开更多
关键词 三维声波声子晶体 拓扑优化 分析与设计序列迭代方法 参数化建模 相对带隙
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考虑随机场载荷不确定性的连续体结构可靠性拓扑优化
2
作者 程长征 王军基 +1 位作者 王选 杨博 《力学学报》 北大核心 2025年第2期535-544,共10页
提出了一种基于多项式混沌展开(polynomial chaos expansions,PCE)代理模型的高效可靠性拓扑优化(reliability-based topology optimization,RBTO)方法,用于处理考虑随机场载荷不确定性的可靠性设计问题.为此,建立了基于柔度响应定义的... 提出了一种基于多项式混沌展开(polynomial chaos expansions,PCE)代理模型的高效可靠性拓扑优化(reliability-based topology optimization,RBTO)方法,用于处理考虑随机场载荷不确定性的可靠性设计问题.为此,建立了基于柔度响应定义的概率约束下的结构体积分数最小化的单层循环RBTO模型,采用KarhunenLoève(K-L)展开式描述载荷随机场,利用蒙特卡罗模拟计算结构的失效概率.为了克服蒙特卡罗模拟方法在计算结构响应时计算成本高昂的问题,引入了PCE作为代理模型,高效地捕捉随机场载荷与结构柔度之间的复杂非线性关系.通过少量的高精度有限元分析样本,可以构建出高精度的PCE代理模型,一旦构建好代理模型的显式表达式,就可以直接基于代理模型在随机样本处计算失效概率,后续无需再进行有限元分析,从而在不牺牲太多精度的情况下,大幅减少后续计算的时间成本.详细推导了概率约束函数关于设计变量的灵敏度,采用移动渐近线方法(method of moving asymptotes,MMA)求解优化问题,将基于分析模型的RBTO方法与基于代理模型的RBTO方法作对比,验证了所提方法的有效性和优越性,并通过4个数值算例讨论了失效概率限值、柔度限值、载荷随机场均值与标准差以及相关长度对优化结果的影响.结果表明,不确定性因素增强时,结构需要消耗更多的材料来抵抗不确定性因素的干扰,另外基于代理模型的RBTO方法相对于基于分析模型的RBTO计算时间大幅缩短,提高了优化效率. 展开更多
关键词 拓扑优化 随机场 载荷不确定性 可靠性拓扑优化 多项式混沌展开
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高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法研究进展
3
作者 郝鹏 杨浩 +1 位作者 冯少军 王博 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期310-326,共17页
不确定性客观存在于工程结构生产制造以及服役等各环节之中并对结构的承载性能影响显著.特别是对于服役条件苛刻的航空航天承载装备,在设计阶段考虑多源不确定性的影响对于结构安全至关重要.在众多不确定性分析方法中,逆可靠度分析方法... 不确定性客观存在于工程结构生产制造以及服役等各环节之中并对结构的承载性能影响显著.特别是对于服役条件苛刻的航空航天承载装备,在设计阶段考虑多源不确定性的影响对于结构安全至关重要.在众多不确定性分析方法中,逆可靠度分析方法在效率和稳健性方面具有一定优势.为此,国内外学者在高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法方面开展了大量研究并取得了长足进步,包括自适应迭代控制算法、先进可靠度优化策略与非充分样本下的高置信水平设计方法等.本文首先对国内外逆可靠度分析与优化方法取得的进展进行了系统梳理与总结,特别是逆可靠度分析方法的发展历程以及面临的挑战问题,主要包括强非线性功能函数、多设计点以及低失效概率问题.进一步,针对长期困扰可靠度方法实际应用的小样本问题,重点从结构高置信水平可靠度分析与优化理论角度开展系统介绍,详细论述了小样本诱发的认知不确定性到可靠度置信水平的传播链条.最后,基于现有成果和国家重大前沿需求,重点围绕航天装备可重复使用需求对结构可靠度未来研究方向进行了思考与展望,期望相关研究成果能够进一步助力我国航空航天结构实现高可靠性与极致轻量化设计. 展开更多
关键词 航空航天结构 逆可靠度分析 可靠度优化设计 置信水平优化设计 小样本
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基于等几何分析和材料场级数展开模型的简谐激励结构拓扑优化
4
作者 王培金 刘宏亮 +2 位作者 张业伟 雷振增 杨迪雄 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期864-872,共9页
考虑简谐激励的结构拓扑优化具有重要的研究意义和工程应用价值,尤其对于飞速发展的航空航天领域。为了方便优化设计结果的几何特征提取和控制,同时兼顾计算精度、效率和设计迭代稳定性,本文基于等几何分析和材料场级数展开模型发展一... 考虑简谐激励的结构拓扑优化具有重要的研究意义和工程应用价值,尤其对于飞速发展的航空航天领域。为了方便优化设计结果的几何特征提取和控制,同时兼顾计算精度、效率和设计迭代稳定性,本文基于等几何分析和材料场级数展开模型发展一套等几何优化方法用于简谐激励结构拓扑优化。由于等几何分析具有几何建模精确和跨单元高阶连续的特点,在不需要极其细密网格的情况下就可以保证响应分析和灵敏度计算的精度。通过结合材料场级数展开模型,采用降维技术大幅减少了设计参数的数量,提高了设计优化的求解效率,同时能够获得不依赖单元细分且具有清晰几何边界的优化构型。针对动力学拓扑优化可能出现的迭代振荡和不收敛问题,通过采用稳定化方案获得了稳定迭代的收敛设计解。数值算例表明,本文方法能够有效避免灰度模糊区域、锯齿形边界、单元细分依赖性和棋盘格现象等,可以高精度高效率地求解简谐激励结构拓扑优化问题。 展开更多
关键词 等几何分析 拓扑优化 简谐激励 稳定化方案 材料场级数展开模型
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数据驱动的结构分析与设计专题序 被引量：1
5
作者 郭旭 廉艳平 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1838-1839,共2页
人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量,数据驱动计算力学在此背景下应运而生并已成为新时代力学领域的重要研究方向之一.近年来,该新兴领域研究在我国呈现出了快速发展的喜人态势,从事相关研究的学者人数快速增加.国家相... 人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量,数据驱动计算力学在此背景下应运而生并已成为新时代力学领域的重要研究方向之一.近年来,该新兴领域研究在我国呈现出了快速发展的喜人态势,从事相关研究的学者人数快速增加.国家相关部委先后设立了各个层面的研究计划,以大力支持这一新兴方向研究并培育高水平的研究队伍.事实上,数据驱动计算力学作为数据科学、人工智能与力学学科交叉的重要方向,不仅蕴含众多极具牵引性的基础科学问题,而且有望催生出一系列能够在航空航天、机械制造、先进材料、生物医疗等领域发挥重要作用且具有颠覆性的关键技术,以支撑国家重点工程建设和重大装备研制. 展开更多
关键词 国家相关部委 产业变革 数据驱动 计算力学 人工智能 机械制造 生物医疗 航空航天
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含切口的压电准晶组合结构界面断裂分析的辛-等几何耦合方法 被引量：2
6
作者 杨震霆 王雅静 +2 位作者 聂雪阳 徐新生 周震寰 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第2期144-154,共11页
发展了一种适用于含有切口的压电准晶/压电晶体/弹性体三材料组合结构界面断裂问题的高精度的半数值半解析方法.首先,通过引入Hamilton体系建立了三材料组合结构的Hamilton对偶方程,将原问题在传统Lagrange体系下的高阶偏微分控制方程... 发展了一种适用于含有切口的压电准晶/压电晶体/弹性体三材料组合结构界面断裂问题的高精度的半数值半解析方法.首先,通过引入Hamilton体系建立了三材料组合结构的Hamilton对偶方程,将原问题在传统Lagrange体系下的高阶偏微分控制方程转化为低阶常微分方程组.其次,通过分离变量法求解问题对应的辛本征值和本征解,将各物理场变量利用辛级数展开形式表示.最后,将辛级数与等几何分析方法相结合,获得了辛-等几何耦合列式,直接求得切口尖端附近奇异物理场及其强度因子的解析表达式. 展开更多
关键词 准晶体 压电材料 等几何分析 HAMILTON体系 V形切口 界面断裂
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基于等几何分析的板壳结构形状拓扑协同优化
7
作者 郝鹏 张越一 +2 位作者 金灵智 冯少军 王博 《宇航总体技术》 2023年第5期1-11,共11页
板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优... 板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤,在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制,极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性,结果表明,与经典等几何拓扑优化方法相比,可得到更高性能的优化结构,有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。 展开更多
关键词 等几何分析 形状优化 拓扑优化
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三维波纹型可延展结构振动特性的辛分析
8
作者 姜宇 王博 +2 位作者 张博涵 陈飙松 邓子辰 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期275-282,共8页
基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voig... 基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voigt粘弹性理论和考虑压电材料的表面压电效应,建立三维波纹结构的理论分析模型;其次,基于能量原理和扩展拉格朗日运动原理,推导出该结构的动力学控制方程;然后采用二级四阶辛Runge-Kutta求解该动力学方程。通过数值仿真实验验证了辛算法的优越性,同时,还发现随着三维波纹型可延展结构外界激励及其结构参数的变化,该结构的振动特性会从倍周期向分岔和混沌转化;本文结果为三维波纹型可延展结构的优化设计及应用提供理论基础。 展开更多
关键词 可延展结构 屈曲 辛Runge-Kutta 压电薄膜
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基于机器学习的变刚度纤维增强复合材料最小化结构柔顺性优化设计
9
作者 段尊义 刘亿 +4 位作者 张皓翔 陈志远 徐斌 朱继宏 阎军 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1849-1860,共12页
纤维增强复合材料层合板的变刚度优化设计,通过逐点优化纤维铺角的可设计性,从而匹配结构中应力状态的空间变化,更高效地发挥纤维增强复合材料层合板在强度与刚度性能上的方向性,为设计师提供了更广阔的设计空间与设计灵活度.然而,基于... 纤维增强复合材料层合板的变刚度优化设计,通过逐点优化纤维铺角的可设计性,从而匹配结构中应力状态的空间变化,更高效地发挥纤维增强复合材料层合板在强度与刚度性能上的方向性,为设计师提供了更广阔的设计空间与设计灵活度.然而,基于梯度类算法的传统复合材料变刚度优化设计,因其设计变量众多,不可避免地在结构分析与灵敏度分析中面临大规模计算的挑战.同时,结构在概念设计阶段存在载荷工况随机性问题,如何在初始概念设计阶段,针对随机载荷工况制定高效的设计方案具有重要工程价值.近年来,随着人工智能与高性能计算的快速发展,基于传统优化获得的数据集构建端到端的机器学习模型,为实现实时的复合材料变刚度优化提供了可能.文章采用反向传播(back propagation,BP)神经网络算法,建立了基于机器学习的纤维增强复合材料变刚度优化设计方法.首先,基于正态分布纤维优化(normal distribution fiber optimization,NDFO)插值格式,构建以最小化结构柔顺度为目标的复合材料变刚度优化设计模型,考虑载荷大小与方向的随机性,获得神经网络模型训练所需的样本集数据.其次,以最小均方误差(means square error,MSE)为目标函数,采用BP神经网络模型对样本数据集进行训练.最后,建立基于皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)、均方误差的模型评价体系,对生成的神经网络模型进行评价.数值算例讨论了含圆孔MBB梁与悬臂C型梁变刚度优化设计,详细阐述了基于机器学习的复合材料变刚度优化方法的实施过程,系统地对比了所提出的基于机器学习的复合材料变刚度优化与传统基于NDFO插值格式复合材料变刚度优化设计结果在纤维铺角轨迹和目标函数的差异,验证了本方法的有效性. 展开更多
关键词 变刚度优化设计 机器学习 反向传播神经网络 正态分布纤维优化 纤维铺角
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冰块尺寸对碎冰区船舶结构冰阻力影响的离散元分析
10
作者 张鑫奥 俞赟 +2 位作者 杨冬宝 刘璐 季顺迎 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期915-920,共6页
船舶在碎冰区航行时的冰阻力会影响船舶的安全性和航行性能。本文以雪龙号破冰船为研究对象,采用三维离散元方法对碎冰环境下船体结构冰阻力进行数值模拟。基于随机生成算法对不规则形状的碎冰区进行参数化建模以形成复杂的碎冰初始场,... 船舶在碎冰区航行时的冰阻力会影响船舶的安全性和航行性能。本文以雪龙号破冰船为研究对象,采用三维离散元方法对碎冰环境下船体结构冰阻力进行数值模拟。基于随机生成算法对不规则形状的碎冰区进行参数化建模以形成复杂的碎冰初始场,同时考虑海水对船体结构的作用力建立船体碎冰阻力的计算模型,并将离散元计算结果与碎冰区DuBrovin冰阻力计算公式进行对比。在此基础上将冰块尺寸进行无量纲化,研究不同冰厚和航速下冰块尺寸对碎冰阻力的影响规律。以平整冰区船体冰阻力的Lindqvist公式为参照,得到碎冰向平整冰转化的临界尺寸。该浮冰临界尺寸可作为识别碎冰区与平整冰的判据。本文研究工作可为船舶在极地冰区的安全航行提供一定的参考。 展开更多
关键词 破冰船 离散元方法 碎冰区 冰块尺寸 冰阻力
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面向含外表面异质层的结构构型设计的拓扑优化方法
11
作者 李冉 胡靖宇 刘书田 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期984-990,1019,共8页
严苛的服役环境要求异质表面层结构在满足特定功能的同时,兼具轻量化的特性。这意味着结构的外表面不能仅作为功能层使用,还需要参与承载,结构构型设计时需要考虑外表面异质层的影响。针对该需求,本文研究建立了一种考虑异质层影响的含... 严苛的服役环境要求异质表面层结构在满足特定功能的同时,兼具轻量化的特性。这意味着结构的外表面不能仅作为功能层使用,还需要参与承载,结构构型设计时需要考虑外表面异质层的影响。针对该需求,本文研究建立了一种考虑异质层影响的含外表面异质层结构的拓扑优化方法。首先,采用基于腐蚀算法的结构表面层建模技术,通过光滑过滤和离散映射两个过程构建了异质表面层结构的识别和描述模型。其次,采用非线性虚温度法识别了结构中的开放/封闭区域,并基于此区分暴露于工作环境中的结构外表面层及附着于封闭孔洞的结构内表面层。最后,建立了含外表面异质层结构的拓扑优化模型,并推导了目标函数关于设计变量的敏度信息。几个数值算例验证了本文方法的有效性。 展开更多
关键词 含异质表面层的结构 拓扑优化 表面层识别与描述 虚拟温度法
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考虑吸湿老化影响的天然纤维增强截断圆锥壳屈曲问题的精确分析
12
作者 张俊霖 聂雪阳 +2 位作者 王雅静 苏新 周震寰 《计算力学学报》 北大核心 2025年第1期83-88,共6页
天然纤维增强材料(NFRC)在潮湿环境下会不可避免地出现吸湿老化行为,严重影响该类材料和结构的稳定性。为分析该问题,本文引入非线性前屈曲效应,提出了一种适用于NFRC截断圆锥壳屈曲问题的精确分析方法。首先,基于Donnell壳体理论推导了... 天然纤维增强材料(NFRC)在潮湿环境下会不可避免地出现吸湿老化行为,严重影响该类材料和结构的稳定性。为分析该问题,本文引入非线性前屈曲效应,提出了一种适用于NFRC截断圆锥壳屈曲问题的精确分析方法。首先,基于Donnell壳体理论推导了NFRC圆锥壳的屈曲控制方程。其次,采用伽辽金法求解非线性轴对称前屈曲变形,并在此基础上进一步求解获得高精度的临界屈曲载荷以及解析的屈曲模态。最后,通过与已有文献和数值仿真对比,验证了本文方法的精确性,并分析了纤维参数和吸湿老化效应参数对NFRC截断圆锥壳屈曲行为的影响。本文的研究结果有望为该类NFRC截断圆锥壳的抗屈曲设计提供理论基础。 展开更多
关键词 圆锥壳 屈曲 临界荷载 天然纤维增强材料 湿热老化
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去除表面凸小特征的四面体网格质量优化算法
13
作者 付营建 关振群 +1 位作者 曹杰 赵国忠 《计算力学学报》 北大核心 2025年第1期89-97,共9页
针对现有四面体网格优化算法难以解决表面凸小特征区域网格质量差的问题,提出了基于改进优化操作算子的去除表面凸小特征的四面体网格质量优化算法。首先利用边分裂对凸小特征区域网格进行插点,构建出凸小特征尺度方向的短边。然后利用... 针对现有四面体网格优化算法难以解决表面凸小特征区域网格质量差的问题,提出了基于改进优化操作算子的去除表面凸小特征的四面体网格质量优化算法。首先利用边分裂对凸小特征区域网格进行插点,构建出凸小特征尺度方向的短边。然后利用节点合并对短边进行合并,并提出决定节点合并方向的减体积合并准则。针对合并过程中可能出现的错误四面体问题,给出了二分法调整节点位置的解决方法。节点合并后,形成新的网格拓扑,使网格不再覆盖凸小特征区域,从而达到去除表面凸小特征和提高网格质量的目的。最后,通过若干带有表面凸小特征的网格优化的典型算例,验证了本文算法的有效性。 展开更多
关键词 小特征去除 四面体网格 网格质量优化 网格拓扑 边分裂
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舱壁结构抑制液体晃荡砰击的试验研究
14
作者 申利敏 卫志军 +2 位作者 陆志妹 季顺迎 张大勇 《船舶力学》 北大核心 2025年第1期31-40,共10页
液体晃荡砰击载荷是液化天然气(LNG)运载装备液舱结构设计的关键载荷之一。液体晃荡砰击载荷过大时,会导致液舱结构产生局部破坏,进而导致液舱内液体泄露,甚至船体倾覆。基于前期数值结果,本文设计了梯形体和正方体两种壁面结构,开展了... 液体晃荡砰击载荷是液化天然气(LNG)运载装备液舱结构设计的关键载荷之一。液体晃荡砰击载荷过大时,会导致液舱结构产生局部破坏,进而导致液舱内液体泄露,甚至船体倾覆。基于前期数值结果,本文设计了梯形体和正方体两种壁面结构,开展了不同壁面结构下的液体晃荡砰击试验。针对自由液面演化过程以及液体晃荡砰击载荷分布特性,结合统计分析方法,定性和定量地分析了壁面结构对液体晃荡砰击的抑制效果。研究结果表明,壁面结构的存在改变了液体晃荡砰击过程中的流场分布,使砰击由液体直接砰击改变为裹气液体的间接砰击。裹气液体晃荡砰击过程中产生了大量气液混合物和气泡,从而有效地降低了砰击载荷,并且正方体结构抑制砰击载荷的效果优于梯形体结构。 展开更多
关键词 液体晃荡 防晃结构 砰击载荷 试验研究 统计分析
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考虑滞回效应的螺栓连接组合结构非线性随机振动分析
15
作者 吴鹏辉 王纪磊 +1 位作者 毛晨洋 赵岩 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第5期223-230,共8页
针对具有滞回效应的螺栓连接组合结构,结合虚拟激励法和多谐波平衡法实现了随机振动响应频域功率谱分析。首先,对于随机激励作用下的组合结构,以Jenkins模型进行本构建模。其次,将随机激励表达为复指数级数,将响应谱分析转化虚拟响应的... 针对具有滞回效应的螺栓连接组合结构,结合虚拟激励法和多谐波平衡法实现了随机振动响应频域功率谱分析。首先,对于随机激励作用下的组合结构,以Jenkins模型进行本构建模。其次,将随机激励表达为复指数级数,将响应谱分析转化虚拟响应的向量运算,提出了扩展虚拟激励法(extended pseudo excitation method, E-PEM)。最后,对虚拟响应求解中频域本构的计算困难,引入时频变换处理;将非线性迭代转换为优化问题并利用信赖域方法求解,有效解决了传统牛顿法的收敛困难。以二自由度和组合梁模型为对象,研究了结构的随机振动响应谱特性,并同蒙特卡罗模拟法对比验证E-PEM的正确性,同时对结构特有的非线性随机振动机制进行了讨论。结果表明:建立的E-PEM为一般非线性结构随机振动频域分析提供了一个可借鉴的求解思路。 展开更多
关键词 滞回效应 随机振动 虚拟激励法(PEM) 多谐波平衡法
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基于离散变量的多材料结构拓扑优化设计
16
作者 刘宏亮 王成 梁缘 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期611-617,共7页
多材料结构拓扑优化相比于单材料结构优化具有更大的设计空间,展现出巨大的设计潜力和应用前景。本文基于离散设计变量研究多材料结构拓扑优化,通过建立有效的设计优化方法,获得轻质高效的结构设计。首先,根据离散变量的特点,建立多材... 多材料结构拓扑优化相比于单材料结构优化具有更大的设计空间,展现出巨大的设计潜力和应用前景。本文基于离散设计变量研究多材料结构拓扑优化,通过建立有效的设计优化方法,获得轻质高效的结构设计。首先,根据离散变量的特点,建立多材料结构拓扑优化模型,由离散变量下约束函数和目标函数的灵敏度信息构造序列近似整数规划子问题,采用运动极限策略限制设计变量的改变量以保证整数规划子问题的近似精度。为了解决离散变量的组合复杂性,采用具有多项式复杂度的正则松弛算法来高效求解(和经典的连续变量算法效率相当)。本文利用多材料结构最小柔顺性优化问题以及最大传热效率优化问题研究离散变量方法的有效性。数值算例表明,离散变量优化方法可以获得稳定迭代收敛的多材料拓扑设计,优化构型中的材料界面清晰分明,有效避免了出现模糊区域。 展开更多
关键词 拓扑优化 离散设计变量 整数规划 多材料结构
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基于弹性边界的多墙式盒段结构复合材料壁板屈曲分析方法
17
作者 赵北 熊斯浚 +2 位作者 陈亮 王成波 李锐 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第9期1182-1199,共18页
机翼中的多墙式盒段结构是飞机结构设计的重点关注区域之一.盒段结构主要由蒙皮以及支撑件组合而成,其中蒙皮被支撑件近似分隔为多个矩形壁板.在飞机服役过程中,机翼主要承受弯曲、扭转或者弯扭耦合载荷等作用,导致盒段结构中矩形壁板... 机翼中的多墙式盒段结构是飞机结构设计的重点关注区域之一.盒段结构主要由蒙皮以及支撑件组合而成,其中蒙皮被支撑件近似分隔为多个矩形壁板.在飞机服役过程中,机翼主要承受弯曲、扭转或者弯扭耦合载荷等作用,导致盒段结构中矩形壁板容易产生失稳.在传统复合材料壁板屈曲分析中,往往将边界简化为固支或简支,所得结果与试验差距较大,而采用有限元方法进行全面模拟往往效率较低.针对上述问题,该文提出了一种结合单胞模型以及微分求积法的复合材料壁板快速屈曲分析方法.首先,建立了单胞模型计算矩形壁板的弹性边界刚度系数;然后,通过微分求积法求解控制方程,获得了壁板的屈曲载荷;最后,计算了不同类型盒段结构中复合材料壁板的屈曲载荷,并与有限元结果进行对比,验证了该文屈曲分析方法的准确性. 展开更多
关键词 复合材料壁板 弹性边界 屈曲 微分求积法
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考虑基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法
18
作者 王铭泽 刘书田 《力学学报》 北大核心 2025年第1期162-172,共11页
随着压电柔顺机构在航空航天及精密加工等高频振动环境中的广泛应用,亟需发展大行程、高频响压电柔顺机构的拓扑优化方法.现有的拓扑优化方法侧重于提高柔顺机构的输出行程,而忽略了其动态特性.文章提出一种考虑基频约束的压电柔顺机构... 随着压电柔顺机构在航空航天及精密加工等高频振动环境中的广泛应用,亟需发展大行程、高频响压电柔顺机构的拓扑优化方法.现有的拓扑优化方法侧重于提高柔顺机构的输出行程,而忽略了其动态特性.文章提出一种考虑基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法.首先,为了更准确地描述压电驱动器与柔顺机构间的相互作用,将压电驱动器直接耦合进柔顺机构的优化分析模型中,建立了压电柔顺机构机-电耦合优化分析模型.其次,以输出位移为目标函数,基于变密度法,建立了考虑结构基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法.采用p-norm凝聚函数来近似结构基频,避免了迭代过程中特征值重复和模态切换所引起的不可导问题,并利用伴随法和链式求导法推导了目标函数和基频约束对设计变量的灵敏度.最后,通过数值算例验证了所提优化方法的有效性,讨论了基频约束对优化结果的影响.数值算例结果表明,所提方法迭代过程快速,收敛性好,能够在满足基频约束的前提下,实现输出行程最大化的设计.与仅考虑柔顺机构输出位移的优化结果相比,采用本文提出的方法所得优化构型的材料分布明显不同,且随着基频约束的增大,优化构型的基频相应变大,而输出位移变小. 展开更多
关键词 拓扑优化 柔顺机构 压电材料 动力学优化 智能结构
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Reissner板断裂问题的半解析等几何分析方法
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作者 官高菲 张滢睿 +1 位作者 余雄 徐新生 《计算力学学报》 北大核心 2025年第1期53-60,共8页
板结构是工程中一类重要的基本构件,但是由于材料或者工艺的影响,其在制造过程中难免会产生不同程度的缺陷,从而在服役环境下逐渐演变成宏观裂纹,导致断裂事故。现阶段板结构断裂分析的方法主要分为解析和数值方法两类。解析方法大多仅... 板结构是工程中一类重要的基本构件,但是由于材料或者工艺的影响,其在制造过程中难免会产生不同程度的缺陷,从而在服役环境下逐渐演变成宏观裂纹,导致断裂事故。现阶段板结构断裂分析的方法主要分为解析和数值方法两类。解析方法大多仅适用于无限大或半无限大结构以及简单边界条件情况,数值方法需在裂尖附近区域划分高密度的网格,并且无法准确给出结构的断裂参数,需要复杂的后处理程序。为解决上述问题,本文针对含裂纹Reissner板的弯曲断裂问题,提出一种高精度的半解析等几何分析方法。首先,求解含裂纹Reissner板裂纹尖端附近的广义位移(挠度和转角)和广义应力(弯矩和剪力)的级数展开解。其次,将整板的等几何模型划分为两类区域,即裂尖附近的奇异区和不包含裂尖的非奇异区。在奇异区内,利用获得的级数解进行节点未知量变换,将该区域内大量的节点未知量转换为少量的级数解待定系数,而在非奇异区内保持节点未知量不变,从而获得含裂纹Reissner板弯曲断裂分析的半解析等几何分析方法计算列式,直接获得裂纹尖端附近奇异应力场和对应的应力强度因子的显式表达式。数值算例验证了该方法的精确性,并分析了相关影响参数对应力强度因子的作用规律。 展开更多
关键词 含裂纹Reissner板 弯曲断裂 半解析等几何方法 应力强度因子 解析解
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基于共旋坐标法的海洋柔性管缆动力学分析
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作者 孙晓旭 柯旺 赵岩 《计算力学学报》 北大核心 2025年第1期37-43,共7页
海洋柔性结构的运动往往随着开采深度和离岸距离的增加而不断增大,这种大幅度的往复运动使得结构危险点极易发生疲劳损伤,显著增加了失效的风险。本文考虑海洋柔性管缆大位移、大旋转和小应变的几何非线性,基于共旋坐标法开展了结构动... 海洋柔性结构的运动往往随着开采深度和离岸距离的增加而不断增大,这种大幅度的往复运动使得结构危险点极易发生疲劳损伤,显著增加了失效的风险。本文考虑海洋柔性管缆大位移、大旋转和小应变的几何非线性,基于共旋坐标法开展了结构动力学分析。首先,基于共旋坐标法建立了柔性管缆的基本运动方程;其次,根据Morison方程计算水动力效应得到海洋柔性管缆的运动方程,并应用Newton-Raphson法结合HHT法进行求解;最后,在数值算例中将本文方法与商业软件分析结果进行对比,表明本文提出的方法能够有效用于海洋柔性管缆的非线性动力学分析。 展开更多
关键词 海洋柔性管缆 非线性动力分析 共旋坐标法 Morison方程 随机波浪载荷
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