基于显隐融合几何描述的薄壁串油结构优化设计方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51805411
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0506.机械设计学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

This project is based on the problems of fuel sloshing reduction under aircraft's large overload condition. The main purpose is to find out the design method for thin-walled structure with fuel balancing holes under extreme nonlinear constraints. Firstly, the fuel flow characteristics are studied kinematically and dynamically to make clear the boundary conditions of the structural optimization problem. Then, the structure's description method, which is able to flexibly control the geometrical and topological deformation, is analyzed. The criteria for activating the explicit- implicit conversion is established, which reveals the influence of mathematical description on the transformation of structural morphology. After that, the mixed explicit/ implicit structure optimization model is constructed. Thirdly, the SPH based modeling method for the thin-walled structure with fuel balancing holes is proposed. Further, the mechanics characteristic for large deformation aircraft wing ribs, and the impact by fuel sloshing are analyzed. Then a mechanic characteristic calculation model is created based on SPH. By bridging the SPH particles and the varying structural description, a mapping relationship is created between the structural description and SPH particle's properties. This converts the structure optimization problem into an adaptive optimization of the geometry and topology driven by the objective function. Based on this, a well-founded methodology is build for the optimization design of thin-walled structure with fuel balancing holes. Meanwhile, an efficient and parallel numerical implementation is carried out. Finally, a set of software is developed for aviation application, which provides both theoretical and practical support for the innovation design of aircraft's wing ribs.
本项目以飞机在大过载条件下的燃油晃动抑制问题为背景,研究在极端工况所引发的非线性约束影响下薄壁串油结构的优化设计方法。分析油箱内流体晃动规律的运动学、动力学特性,阐明薄壁串油结构优化问题的边界条件。研究能够高柔性控制几何形状与拓扑变换的结构描述方法,构筑触发显隐式描述方式相互转换的控制机制,揭示数学描述对结构形态变换的影响规律,构建基于显隐式结合的结构优化模型。研究薄壁串油结构的粒子法建模方式,分析大尺寸变形情况下的机翼肋板力学特性和剧烈燃油晃动引起的冲击载荷特性,构建基于粒子法的力学计算模型。研究粒子模型与动态结构描述间的耦合机制,建立动态结构描述与粒子属性之间的映射关系,将结构优化问题转化为一个由目标函数驱动的形状及拓扑变换自寻优问题。提出一套指导薄壁串油结构的优化设计方法与高效率并行化数值实现模型,开发相关软件,为飞机机翼肋板的创新设计提供基础理论与使能技术支撑。

结项摘要

本项目以飞机中的薄壁串油结构为对象,研究其在极端工况下由于燃油晃动引发的燃油串流、重心平衡与燃油测量问题,并在此问题下,探索显/隐式融合的几何描述与变换方法,并构建基于SPH的力学特性计算框架及薄壁串油结构优化设计数学模型构建与数值实现方法。.针对薄壁串油结构在极端工况下的边界条件,建立了基于SPH的自由液面描述方法,分析其光滑核函数、流体压缩特性、粒子几何及物理参数对自由液面晃动数值分析模型精度的影响;在此基础上,研究了不同充液比、姿态角、过载下的重心变化特性、油液晃动幅度及动、势能收敛准则,探索薄壁串油结构与流体运动学特性之间的内在联系;寻求流体晃动对薄壁串油结构的动力学影响机理,建立了粒子速度影响下的冲击载荷作用方程。.针对高柔性拓扑变换能力需求,提出将显式几何描述与隐式拓扑描述有机融合的图形学描述方法,研究几何形状显式变形控制方法,探索基于拉普拉斯算子的网格顶点位移能量描述方法;研究以变形控制点位移为驱动,由位移能量控制的网格变形机制;建立网格边界自适应划分算法,定义划分深度规则;提出网格边界处的面片分离策略,赋予网格分叉构型能力。.针对SPH在不同介质中的计算需求,研究了SPH在固体与液体介质中的建模方法,通过提出固体介质中的材料应力模型,构建了燃油(流体)和肋板(固体)SPH模型不同的控制方程、状态方程和核函数;建立了具有材料强度的连续介质力学控制方程,研究了力学特性计算框架与动态几何描述间耦合机制,最终构建了适用于大尺寸变形及流体冲击计算的力学特性计算框架。.针对飞机燃油晃动过程中燃油总机械能下降速度的加速需求,以优化飞机油箱肋板开孔布局为目标,研究了燃油总机械能及燃油重心等相关燃油质量特性数据与肋板的应变能和体积大小间的关系,建立了基于SPH的肋板开孔优化模型;在此基础上,利用建立的SPH流固耦合模型对真实飞机油箱肋板结构进行了优化。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
A Hardware-adaptive Deep Feature Matching Pipeline for Real-time 3D Reconstruction
用于实时 3D 重建的硬件自适应深度特征匹配管道
  • DOI:
    10.1016/j.cad.2020.102984
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Computer-Aided Design
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Zheng Shuai;Wang Yabin;Li Baotong;Li Xin
  • 通讯作者:
    Li Xin
基于差分进化算法的飞机油量传感器布局优化方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    航空学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑帅;王子涵;赵浩然;杨朋涛;洪军
  • 通讯作者:
    洪军
A new topology optimization framework for stiffness design of beam structures based on the transformable triangular mesh algorithm
基于可变换三角网格算法的梁结构刚度设计新拓扑优化框架
  • DOI:
    10.1016/j.tws.2020.106831
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    Thin-Walled Structures
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Zheng Shuai;Tang Wenhao;Li Baotong
  • 通讯作者:
    Li Baotong
Accurate and real-time structural topology prediction driven by deep learning under moving morphable component-based framework
基于移动可变形组件框架下深度学习驱动的准确实时结构拓扑预测
  • DOI:
    10.1016/j.apm.2021.04.009
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Applied Mathematical Modelling
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Zheng Shuai;Fan Haojie;Zhang Ziyu;Tian Zhiqiang;Jia Kang
  • 通讯作者:
    Jia Kang
Generating three-dimensional structural topologies via a U-Net convolutional neural network
通过 U-Net 卷积神经网络生成三维结构拓扑
  • DOI:
    10.1016/j.tws.2020.107263
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Thin-Walled Structures
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Zheng Shuai;He Zhenzhen;Liu Honglei
  • 通讯作者:
    Liu Honglei

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其他文献

基于向量机方法的基坑工程预警系统研究
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王金满
微反应器计算流体力学与离散元建模及调控
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    浙江大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑帅;谭大鹏;李霖;朱吟龙
  • 通讯作者:
    朱吟龙
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  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 作者:
    刘颖明;王维;王晓东;郑帅
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  • DOI:
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  • 作者:
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    刘刚
基于历史通行数据的假冒绿通车逃费行为预测
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    公路交通科技
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘昱岗;郑帅;徐旭东;王添碧;叶劲松
  • 通讯作者:
    叶劲松

其他文献

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飞机复杂燃油箱高动态惰化流场特性演变机理及高效预测与调控机制
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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