针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结

针对直接搜索模拟退火算法求解高维优化问题存在稳定性差、收敛成功率低现象,提出一种自适应的直接搜索模拟退火算法。该算法通过构造基于迭代温度动态调整搜索范围的新点产生方式和自适应寻优模块,增强了算法跳出局部极值和加快邻域搜索的能力,利用柯西分布状态发生函数的大范围遍历特点,弥补了直接搜索模拟退火算法求解高维多峰值问题易陷入局部解和计算效率低的不足。结合可行规则法处理约束问题,典型高维函数和工程优化设计实例的测试结果表明,该算法能够有效求解高维优化问题,整体性能较直接搜索模拟退火算法有显著提高。

应用拓扑优化技术研究了蒙皮厚度、加筋高度以及周期性格栅数对格栅加筋结构优化性能的影响。首先分析了不同蒙皮厚度和加筋高度组合下格栅优化构型的变化趋势,发现不同材料用量下具有最佳结构效率的优化结构拥有相同格栅构型。其次比较了周期性格栅数对单层和双层格栅加筋结构优化结果的影响,结果表明随着周期性格栅数的增加,结构优化性能逐渐趋于一个极限值,单刚度目标下周期性格栅数的奇偶性显著影响格栅优化构型,而刚度和频率多目标下周期性格栅数大于7×7后其对格栅优化构型的影响消失。研究结果对格栅加筋结构的格栅构型设计与选择具有指导意义。

基于拓扑优化方法开展了周期性圆环结构的构型优化设计,分析了不同载荷工况下不同子结构数、内外半径比和内外蒙皮厚度对优化结果的影响规律。结果表明:周期性圆环结构具有明显的尺寸效应;相同体分比下,子结构数较少时优化结构刚度较高,但优化构型变动大;随着子结构数增多,结构刚度减弱并趋于极限值,优化构型稳定不变且受内外半径比和蒙皮厚度变化影响很小;而不同工况下,可忽略尺寸效应的临界子结构数存在差异,蒙皮厚度变化对结构效率的影响不同。

针对复合材料层合板频率优化问题,结合可行规则法和直接搜索模拟退化算法,提出了一种自适应模拟退火（SA）改进算法。层合板优化目标是基频、频率带隙以及给定基频和带隙约束的层合板厚度。设计变量包括铺层角度和铺层数两种离散变量。改进算法的自适应新点产生模块采用依赖温度的动态调整搜索半径,改善了直接搜索模拟退化（DSA）算法易陷入局部极值的缺陷,而可行规则法的引入提高了SA算法求解约束问题的效率和简易性。采用Ritz法进行频率响应分析以考虑弯扭耦合影响。不同铺层数、角度增量和长宽比时的层合板3类算例结果显示:改进算法能有效求解层合板频率优化,可获得更多或更好的铺层顺序全局优化解。

基于有限元参数化建模方法,开展了受侧压格栅圆柱壳的稳定性分析。在总体积相同情况下,以正交格栅、正交各向异性格栅、等格栅圆柱壳为研究对象,分析了圆柱壳包含不同体胞数、不同体胞构型以及给定体胞数时蒙皮厚度、筋骨尺寸变化对结

采用参数化建模和有限元方法,以三种典型格栅加筋板为对象,分析了给定质量下,蒙皮与加筋分别采用不同材料、不同几何参数对结构刚度性能的影响规律。研究表明:蒙皮厚度变化会影响与之最佳匹配的加筋构型;增大加筋高度能有效提高结构刚度性能,但过大的加筋高度对结构性能的改进有限;采用比刚度大的材料可以显著增强结构性能,加筋高度一定时,蒙皮选用比刚度大密度小的材料有利于提升结构性能,而加筋厚度一定时,加筋选用比刚度大密度小的材料将降低蒙皮材料的选用对结构性能的影响。

项目结合有限元方法、均匀化理论和拓扑优化技术开展了格栅夹芯结构的尺寸影响分析、拓扑优化和算法研究。研究了蜂窝体胞尺寸对夹芯板性能的影响规律。结果表明：不同蜂窝构型对结构不同性能的影响存在明显差异，夹芯板刚度受蜂窝体胞尺寸的影响会出现非单调变化,“三层板体胞”能反映面外尺寸效应，总体上，宏细观之比大于10时可忽略尺寸影响；给定材料用量时，增加夹芯高度、减小蜂窝壁厚能提高结构的隔热效果和温度分布的均匀性。格栅构型与几何参数对加筋回转壳稳定性的影响研究表明，等体积下，加筋圆柱壳的最优临界屈曲载荷发生在局部与整体失稳的过渡区，依赖于体胞数和体胞构型的搭配。加筋圆锥壳抗失稳性能受加筋高度影响显著，低加筋时临界屈曲载荷低且提升改进空间小，高加筋时临界屈曲载荷大且受构型和蒙皮组分影响大，结构倾向使用大高宽比体胞和高蒙皮组分来提高承载效率；不同质量时，随屈曲载荷的增大，结构倾向使用低矮加筋和厚蒙皮来提高结构载荷质量比。格栅加筋板的参数化分析与拓扑优化结果表明，蒙皮厚度变化会影响与之匹配的加筋构型；比刚度大的材料可增强结构刚度，但不改变几何参数的影响规律。夹芯板式蒙皮可提高加筋板承载能力，但夹芯板式加筋则相反。加筋高度与蒙皮厚度之比既影响加筋构型也影响结构效率，优化两者关系可获得结构效率高且构型相同的格栅加筋。加筋优化构型随体胞数的变化规律受评价指标影响。点阵夹芯圆柱壳的扭转稳定性分析表明：结构稳定性受杆截面形状影响较小，但增大杆截面外轮廓能提高结构承载性能；蒙皮厚度变化对结构承载能力的影响要强于单胞相对密度；加密周向单胞数，匹配单胞相对密度和蒙皮厚度，结构承载力可高达等质量园环结构的3倍；单胞相对密度越小，结构承载效率受单胞构型的影响越大。开展了多层板的拓扑优化设计方法研究。基于材料/结构两尺度模型，采用参数化曲线描述宏观材料分布，实现不同分层结构的宏观材料分布和任意位置微结构设计。优化结果说明，给定材料用量下，该方法能有效实现不同层厚和不同位置的微结构设计，获得构型梯度变化的多层结构。结合自适应策略和可行规则法，提出自适应直接搜索模拟退火算法以克服原算法求解高维问题存在计算效率低和收敛稳定性差的不足。考虑弯扭耦合，基于里兹法和所提算法开展了以屈曲、频率为目标的叠层板铺层优化，结果表明所提算法能有效求解叠层板铺层优化问题，优化结果为叠层板铺层设计提供指导。

针对蜂窝夹芯板的面外尺寸效应问题,提出了一种能揭示蜂窝夹芯板面外尺寸影响规律的"三层板体胞"计算模型;基于均匀化方法,建立了包含蒙皮和等效夹芯的夹芯板"三层板体胞"模型;采用有限元数值模拟与经典层合板理论公式,计算比较了在面外方向体胞数目变化时,不同蜂窝构型夹芯板弯曲响应和振动响应的变化规律。计算结果表明:夹芯板存在显著的面外尺寸效应,提出的"三层板体胞"模型能清晰地反映体胞面外尺寸对夹芯板性能的影响规律,当夹芯板在面外方向包含不多于3层体胞时,均匀化计算结果与有限元方法和层合板理论公式计算结果存在明显差异,反映了均匀化方法的局限性。