赵国忠[1]2001年在《压电材料结构优化控制方法及结构屈曲优化设计》文中指出结构优化设计不仅可以降低结构重量和材料成本，而且能够改进结构的强度、刚度、振动特性、屈曲稳定性等性能，在工业和国防中的应用不断发展。利用压电材料的正、逆压电效应，可以分别制成作动器和传感器，在准确建立含有压电材料的结构力学模型的基础上，能方便的进行结构变形控制和振动控制。 本文研究工作由两部分组成：1．在建立了压电材料的智能结构有限元分析模型的基础上，将优化方法运用到压电结构的变形和振动控制，提出了结构与控制的联合优化设计模型和计算方法。这部分是本文的主要工作。2．研究了组合结构屈曲优化设计和灵敏度分析的计算方法及其工程应用。 为了叙述方便，各章节内容安排如下： 第一章在查阅大量文献的基础上，综述了压电材料的性质和在结构控制方面的应用，重点叙述了考虑压电耦合效应后的带有压电材料的结构力学行为分析方法，控制器的设计理论和作动器／传感器的优化配置方法。在了解相关研究领域的基础上，给出了本文的研究内容和作者的工作。 第二章建立了多种单元组合结构屈曲稳定性优化设计的通用性模型和求解方法，提出了考虑内力场与外荷载变化的屈曲临界荷载灵敏度分析算法及其对尺寸变量和形状变量的不同计算模式，将屈曲优化与静力和动力优化联合执行以解决复杂的结构优化设计问题，在新一代有限元分析和结构优化软件JIFEX中实现。第二章中还研究了复合材料层合板的分层优化设计，所谓分层就是把层合板分成几个分层，每个分层又是由铺层厚度和角度完全相同的单层组成。本文推导了结构强度和自振频率对分层厚度和角度作为设计变量时的灵敏度计算公式，推导过程中考虑了分层厚度变化时层合板中心也要发生改变的情况，保证了计算准确性。 第叁章给出了作者完成的结构屈曲优化设计的工程应用实例，进一步验证了第二章提出的关于屈曲稳定性优化方法和程序的有效性，以及解决复杂结构优化设计问题的能力。同时，本章在典型结构优化设计中得到的结论也可做为工程实际问题的参考。 第四章建立了压电材料结构屈曲稳定性的有限元分析模型，主要研究了压电薄板和压电桁架的有限元模型及其计算方法。结合四边形薄板单元(DKQ)研究了压电薄板的整体屈曲稳定性分析的有限元方法，讨论了压电耦合效应以及电荷载对结构屈曲稳定性的影响；推导了以压电迭合体组成的压电桁架的有限元模型，同样研究了压电耦合效应对桁架整体屈曲稳定性的影响。 第五章在上一章压电桁架结构的有限元分析模型的基础上，进一步研究了考虑电荷载和机械荷载联合作用下的压电桁架结构的刚度，自由振动和屈曲稳定性的优化设计。不但给出了位移、自振频率和屈曲临界荷载系数对常规尺寸设计变量和形状设计变量的 大连理工大学博土学位论文一灵敏度计算公式，而且增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移和屈曲荷载系数对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动析架的电压进行变形控制和屈曲控制的新方法。 第六章首先采用位移和速度的同位状态反馈控制策略，建立了压电椅架进行振动控制的控制方程，实现了压电析架的振动主动控制，并通过数值算例的分析得到了当消耗同样的电能时，选用不同的压电主动杆件，控制效果有可能大不相同的结论。然后本文章以杆件截面积和控制反馈增益系数同时作为设计变量，结构重量、动力响应和电压的积分值作为优化约束或目标，在时域内结合Newmark微分方程的求解方法推导了约束函数对设计变量的灵敏度分析公式，并采用序列线性／H次规划进行了优化求解，实现了控制－结构一体化设计。最后，采用拓朴优化中的（0，l）方法将配置变量连续化处理，进行结构自振频率、动力响应和电压对配置变量的灵敏度分析，优化求解后再进行圆整，以解决压电智能扭架结构控制中作动器的优化配置问题。 第七章对全文工作进行了总结，并提出了还需进一步研究的内容和工作。 本文第二章第二部分是作者完成的军工预研课题“复合材料层合板分层优化设计技术”的内容，第叁章是作者完成的军工预研课题“超塑成形钛合金结构件优化设计，’和“钛合金82Fo Bat纹板框粱优化设计软件”的研究内容。此外，作者在学位论文工作阶段还完成了“机身结构综合优化设计”的军工预研课题。 本论文研究工作是国家杰出青年科学基金门9525206人国家重点基础研究专项经费（GI 999032805）和高等学校骨干教师资助计划的一部分。
王剑[2]2007年在《压电曲壳曲梁组合结构的有限元分析和形状控制》文中研究表明压电智能结构的研究在近几年来备受关注,压电材料以其灵敏度高、反应迅速、应用方便而广泛应用于航空航天、精密仪器、电子、水声等各个领域。尤其是在需要高精度控制的方面,压电材料有着无可比拟的优势。本文以有限元方法为基础,讨论了热压电耦合场下桁架结构的力学行为,重点构建了空间压电曲壳、压电曲梁单元,进而实现了空间曲面结构的静态形状控制,并且在形状控制的同时实现了作动器的优化配置,得到了良好的控制效果。本课题是国家自然科学基金(10772038,10421202,10302006)和澳大利亚ARC基金(Austrian Research Council:LX0348548 and DP0666683)资助项目,全文内容分为以下几章:第一章:绪论部分从智能结构的概念出发,简述了压电材料的力学特性和工程应用。总结了前人在相关领域的部分工作,提出了本文的研究内容、课题背景、研究意义以及研究工作的基本框架。第二章:从平衡方程出发,综合考虑了温度场、机械场、电场的耦合作用,推导了热压电桁架结构的有限元静力分析方程、屈曲稳定性方程。根据算例指出了温度场对桁架结构的屈曲稳定性的影响。得到了热压电桁架结构的灵敏度公式,在此基础上对结构进行了优化。结论指出在把压电杆用作主动控制元件的时候,充分考虑多场耦合的影响,更能充分发挥材料的性能,得到更经济合理的结构设计。第叁章:推导了一个基于空间任意形状的压电曲壳单元,以此构造了有限元模型。特别是利用约束方程连接主壳结构和压电作动器,简化了模型,削减了计算规模。在此基础上,首先利用最小二乘法实现了对结构的静态形状控制,然后又提出了形状控制和优化一体化设计模型,实现了更为实用的同时考虑电压和厚度作为设计变量的结构形状控制,数值算例显示可以得到更好的控制效果。第四章:基于连续体的弹性理论构造了空间曲梁单元,在曲梁的基础上推导了空间压电曲梁单元。为了削减计算量,在梁壳组合结构的有限元模型中利用约束方程连接梁壳单元。利用最小二乘法构建了形状控制的优化模型,以控制形状和目标形状之间的误差平方和做为优化目标,得到了形状控制的最优电压分布,实现了利用压电曲梁作动器对结构进行静态形状控制。第五章:研究了形状控制中作动器的优化配置问题,在优化配置的过程中寻找控制电压在当前配置上的最优分布。优化方法采用带约束的遗传算法,利用二进制和实型数混合编码,构建了在形状控制的同时对作动器进行优化配置、寻找最优电压分布的优化模型。利用该模型,分别得到了不同优化目标、不同约束条件下的压电作动器的最优配置。最后总结全文,并展望了可以进一步开展的工作。
陈定球[3]2007年在《压电梁柱构件的动力方程及其在结构主动振动控制中的应用》文中研究表明结构振动控制是振动和控制工程领域内非常有前景的学科之一，尤其是应用智能结构的主动振动控制是目前的研究热点。智能结构具有响应快、自适应、自诊断、自修复等优点，其中压电智能结构由于具有很强的机电耦合效应而得到广泛的应用。本文重点研究压电智能梁柱构件，采用压电作动器和应变传感器，其中压电片成对地、可以非连续地粘贴在梁柱构件的上下表面。分别用半解析法和有限单元法推导了这种压电智能梁柱构件的振动方程，并用线性二次型最优控制器(LQR)研究了压电智能结构的振动控制问题。本文主要工作有以下几个方面：(1)提出了一种压电梁柱构件的力学模型，推导了压电作动器对基材的诱导力和诱导弯矩的关系式，并对压电作动器的诱导弯矩进行优化，得到最优的压电片厚度与基材厚度之比。(2)用基于Lagrange原理的半解析法推导了轴压力和横向分布力作用下的压电梁柱构件的振动方程，该方法可以考虑轴压力的P-Δ效应。(3)用基于Hamilton原理的有限元法推导了满布压电对的梁柱单元的振动方程，该单元为平面内压电梁柱单元，可以考虑轴压力的P-Δ效应和各种外荷载的作用。并通过单元组装建立了非满布压电对的梁柱主动构件和包含压电梁柱构件的结构的振动方程。(4)用现代控制理论的LQR控制策略对压电梁柱构件／结构进行主动振动控制，通过Matlab软件的Simulink工具箱对算例模型进行数值仿真，并取得了良好的控制效果。
安海[4]2009年在《桁架结构系统可靠性分析方法的研究》文中研究说明对于结构可靠性这一学科,从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机可靠性到近年来提出的非概率可靠性,以及基于模糊理论的模糊可靠性使得这一理论日臻丰富和完善,并深入渗透到各个学科和领域。结构可靠性分析也从仅仅对元件的可靠性分析,逐步发展为对结构系统进行可靠性分析。结构系统虽然是由元件构成的,但是由于系统在失效过程中,其拓扑结构发生了变化,拓扑结构的变化使得结构的可靠性分析与元件的可靠性分析有了极大的不同,而对系统进行可靠性分析更具有实际的意义。本文主要通过研究结构系统中的桁架结构在不同工况下的失效机理,提出了在不同工况下,桁架结构系统的可靠性分析方法,并在利用模糊可靠性方法进行系统可靠性分析方面做了有益的尝试。本文的主要工作如下：1.结构系统可靠性指标计算方法的研究。运用改进一次二阶矩法(Advanced First-Order Second Moment - AFSOM法)的基本理论,编制了相应的计算程序。应用编制的程序对序列响应面法进行了改进,提高了传统响应面法的运算效率。2.对静载荷和电载荷同时作用时的桁架结构的可靠性分析理论作了研究。考虑机电耦合效应时,利用力学原理和压电本构方程,建立了表面贴有压电片桁架结构的静力分析的有限元模型。同时研究了压电杆元的破坏机理,给出压电杆单元破坏的判断准则。以材料的断裂强度、损伤电场强度、杆元的截面积和外载荷等为随机变量,建立了压电桁架结构单元的安全余量的表达式。并在此基础上,利用结构系统可靠性理论,对该桁架结构系统进行可靠性分析。3.在疲劳工况下,根据疲劳载荷作用下结构的失效机理,给出了一种以风险值的大小来判断系统元件疲劳失效的方法。用风险值作为判别准则,判断元件的失效顺序,建立失效元件的安全余量,应用分枝限界法寻找主要失效模式,通过概率网络评估技术(Probability Network Evaluation Technology - PNET)计算结构系统的可靠度。4.讨论桁架结构在疲劳工况下,元件弹性模量衰减后的结构刚度可靠性分析。基于剩余强度的衰减模型,推导了弹性模量的衰减公式。并且结合桁架系统的刚度矩阵,给出疲劳载荷作用下桁架结构系统刚度的可靠性分析方法。5.讨论了桁架结构系统在稳定工况下的稳定可靠性问题。根据铰接桁架的稳定性原理,采用有限元法建立桁架结构系统考虑稳定状态条件下的单元刚度矩阵。通过桁架系统总体刚度矩阵的位移条件,推导出结构系统屈曲临界载荷的有限元方程。进而建立结构系统稳定安全余量,应用AFSOM法,对桁架结构系统稳定可靠性进行了分析。6.提出了当量概率密度函数的模糊可靠性分析方法。以模糊分布参数(Fuzzy Distribution Parameter-FDP)的隶属函数为基础,构造模糊参数的先验分布,应用Bayes理论,得到含有模糊分布参数的随机变量的当量概率密度函数,并推导出具有常用隶属函数的模糊分布参数的随机变量的数学期望和方差。对具有模糊分布参数的桁架结构系统开展可靠性分析。
戴磊[5]2007年在《基于CAD/CAE集成技术的开放式参数化结构形状优化设计平台》文中指出以有限元为代表的数值计算方法是解决工业装备结构分析与设计等众多工程问题中具有广泛共性的科学计算问题的重要手段。为保证我国自主创新能力、集成创新竞争能力和维护国家安全,必须发展自主知识产权的CAE软件从而避免形成CAE软件核心技术受制于人的局面。本文的主要工作就是基于这一背景,实现CAE的结构有限元分析、优化设计技术与专业的CAD软件工具的集成开发。从产品设计的角度来说,一方面借助于专业的CAD软件推广结构优化设计技术在现代化工业生产中的应用,解决结构优化设计技术的理论研究与实际应用差距较大的问题。对于多学科结构优化设计来说,不同学科的分析计算对结构的几何模型和有限元模型都有不同的要求,通过系统集成,专业的集成建模工具将能够满足多学科结构优化设计的需求。另一方面,利用结构有限元分析与优化设计技术为工程和设计人员提供一个实用的、设计分析集成的工具,帮助他们在产品的概念设计阶段更好、更全面地了解产品的结构性能,从而提高设计效率。从结构优化的角度来说,参数化造型技术能够提供更直观、更便捷的几何模型形状描述和修改手段。目前大部分现有CAD/CAE集成研究生要是各系统在外部相互集成,彼此通过系统外的数据传递进行通讯。这类集成方法较容易实现,但是效率较低。本文工作的主要内容是基于造型数据库和高级开发语言的集成手段,将结构优化和分析功能嵌入到CAD系统中,结合CAD中的参数化实体造型功能,研究开发基于参数化实体造型技术的开放式结构参数化形状优化设计平台POSHAPE。经过不断的完善,POSHAPE作为一个通用的结构形状优化设计平台已经可以实现叁维实体结构、空间壳体结构以及材料设计等问题的优化设计。在整个系统中,集成是程序的核心内容,主要体现在以下几个方面:1)将处理不同物理问题的分析功能与结构形状优化设计集成到一起,协助更深入地了解结构形状与结构各物理响应之间的内在关系;2)通过基于边界描述树(BoundaryRepresentation Tree,简称为B-Rep树)的实体几何模型描述方法,将有限元分析模型与几何模型的建模过程集成在一起,实现了模型之间的一体化,借助于CAD系统的参数化实体造型技术,提出参数化的有限元建模方法;3)基于B-Rep树和参数化技术,提出了空间壳体结构的几何曲面模型和叁维实体几何模型之间的建模集成,籍此实现了壳体结构有限元模型的参数化建模方法;4)将参数化结构形状优化设计方法用于复合材料设计,提出了一种基于单胞形状优化设计的复合材料设计方法。本文各章节内容安排如下:第一章,围绕结构优化设计,首先讲述结构优化研究的主要内容和它们之间的相互关系,其中着重介绍结构形状优化设计的特点和发展历史。其次,分析结构形状优化设计存在的问题和导致问题的主要原因,本文的研究工作正是基于这些问题,开发了参数化结构形状优化设计平台POSHAPE。参数化技术是实现结构参数化优化设计的关键,在这里将对该技术进行简要介绍。接下来,介绍复合材料设计的研究现状。最后,对本文工作的研究意义和框架进行概述。第二章,本文方法是基于CAD/CAE集成开发实现的,在第二部分将主要对CAD/CAE集成技术的研究现状进行详细论述。参数化特征造型技术是实现参数化有限元方法的基本条件,首先对其进行介绍。CAD与CAE系统之间的数据传递方式和集成框架分别是实现CAD/CAE集成的关键内容,其次将列出现有的不同技术手段并对它们分别进行讨论和对比。最后介绍CAD/CAE集成实现结构优化优化的关键技术,包括网格剖分算法、灵敏度分析、优化算法。第叁章,主要介绍参数化结构形状优化设计平台POSHAPE,重点放在整个平台的集成开发过程;由几何造型数据结构和集成平台的数据库出发,介绍参数化有限元模型与几何模型之间的建模集成。此外,还给出了结构参数化形状优化设计平台POSHAPE的系统集成框架以及在此平台上建立的通用优化模型。对于该系统中存在的问题也将一并说明。第四章,POSHAPE可以对工程中常见的、复杂叁维机械零件进行参数化结构形状优化设计。本章介绍叁维实体结构参数化形状优化设计的实现方法。通过若干工程实例验证本文方法的实效。第五章,对于空间壳体结构的参数化和形状优化设计,传统的方法大都是基于自由曲面建模技术。对比传统方法,详细介绍本文提出的基于参数化实体造型技术的参数化曲面建模方法,以及此类参数化形状优化设计的实现方法。通过若干算例,验证本文方法的可行性、有效性。第六章,除了实体和壳体结构形状优化设计,POSHAPE还可以用于复合材料设计。对于周期性复合材料单胞结构,通过参数化形状优化设计手段可以获取具有指定材料属性的复合材料。这里将介绍通过形状优化方法实现指定材料属性的复合材料设计过程。针对两相的蜂窝型骨架单胞结构和空心结构,给出了数值算例。第七章,对前文工作进行总结和展望。作为通用的参数化结构形状优化设计平台,POSHAPE不仅可以进行叁维实体结构、壳体结构和复合材料单胞结构形状的优化设计,系统还有良好的可扩展性。在这部分将对系统现有的功能进行总结,并对以后的发展方向和可行进行论述。附录A中列出了参数化结构形状优化设计平台POSHAPE的主要操作和命令。本文相关工作同时隶属于大连理工大学和法国兰斯大学联合培养博士计划,并于2006年12月通过法国兰斯大学的博士学位论文答辩。
参考文献：
[1]. 压电材料结构优化控制方法及结构屈曲优化设计[D]. 赵国忠. 大连理工大学. 2001
[2]. 压电曲壳曲梁组合结构的有限元分析和形状控制[D]. 王剑. 大连理工大学. 2007
[3]. 压电梁柱构件的动力方程及其在结构主动振动控制中的应用[D]. 陈定球. 同济大学. 2007
[4]. 桁架结构系统可靠性分析方法的研究[D]. 安海. 哈尔滨工程大学. 2009
[5]. 基于CAD/CAE集成技术的开放式参数化结构形状优化设计平台[D]. 戴磊. 大连理工大学. 2007
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