面向空间展开与无皱设计的薄膜结构拓扑优化方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11772077
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0806.材料和结构的优化设计、制造与可靠性
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

With the advantages of light weight, large deformation, easy of stowing and folding, thin membranes are very useful for many space structures, such as deployable antennas and solar sails. However, most of the existing designs for space thin membrane structures were obtained by empirical means or size optimization methods, which will make them difficult to keep the optimum state under in-orbit operation. By using the relative density penalization model and the geometrically nonlinear finite element analysis, a wrinkle-free constraint definition is proposed based on the principal stress-principal strain criterion for membranes in wrinkled and taut states. Then, a wrinkle-free topology optimization model for the design of geometrically nonlinear membranes is proposed. In order to make the problem computationally tractable, an equivalent strategy for regularizing wrinkle-free constraints and the relaxed method for enlarging the narrow feasible domain are developed. Further, for the space-deployable and wrinkle-free design of membrane-support structures considering requirements on lightweight, low energy consumption and high surface precision, a two-material topology optimization theory and corresponding methods are investigated in this project. At last, topology optimizations by using the abovementioned model, numerical simulations and experimental tests on the ground for typical space thin membrane structures are performed. This project will greatly enrich the theory and method of topology optimization, give guidance to the design of space membrane structures and provide a reasonable and reliable solution for the novel connected material distribution of membranes and supports in the space engineering. The achievements in this project will form a solid theoretical foundation and provide rich technical reserves for future space environment tests.
薄膜具备重量轻、大变形、易于展开/折叠等优势,适用于可展开天线、太阳帆等航天空间结构。然而,现有设计大多局限于经验性手段或尺寸优化方法,难以实现空间薄膜结构在轨运行中的最佳状态。本项目基于相对密度惩罚模型和几何非线性有限元分析,结合描述薄膜张拉和褶皱状态的主应力-主应变准则,提出无皱化约束定义,建立几何非线性薄膜无皱化拓扑优化模型,发展无皱化约束的正则化等效策略和狭窄可行域松弛策略。进一步考虑轻量化、低能耗和薄膜形面高精度的要求,研究面向空间展开与无皱设计的薄膜-支撑双材料拓扑优化理论模型和求解方法,开展典型空间薄膜结构的优化设计、数值仿真和地面实验验证。项目研究将丰富和发展拓扑优化理论,指导空间薄膜结构的拓扑设计工作,为航天空间工程提供更为合理、可靠的薄膜-支撑材料最优联合布局设计方案。项目成果将为未来在轨空间运行提供理论基础和技术储备。

结项摘要

本项目以航天柔性薄膜结构拓扑优化设计为研究背景,结合描述薄膜拉伸和褶皱状态的主应力-主应变准则,建立了几何非线性薄膜无皱化拓扑优化模型,发展无皱化约束的正则化等效策略和狭窄可行域松弛策略。进一步考虑轻量化、低能耗和薄膜表面高精度的要求,研究面向空间展开与无皱设计的薄膜-支撑双材料拓扑优化理论模型和高效kriging代理模型优化算法,开展了典型空间薄膜结构的优化设计、数值仿真和地面实验验证。并首次揭示了初始缺陷不确定性对薄膜褶皱行为的影响机理。此外,本项目还原创性提出材料场级数展开拓扑优化降维新方法和复杂问题非梯度拓扑优化通用方案。在本项目资助下,课题组在本领域国内外权威期刊上共发表与本项目研究内容相关的高水平学术论文20篇(已标注),包括封面论文2篇,中科院一区论文6篇,中科院二区论文11篇。获批软件著作权1项,授权发明专利3项,其中PCT国际专利2项。以第二完成人获2020年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖,入选辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。培养毕业博士2人,1人获大连理工大学优秀博士学位论文。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
A Bayesian updating method for non-probabilistic reliability assessment of structures with performance test data
基于性能测试数据的结构非概率可靠性评估的贝叶斯更新方法
  • DOI:
    10.32604/cmes.2020.010688
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Computer Modeling in Engineering & Sciences
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    He Jiaqi;Luo Yangjun
  • 通讯作者:
    Luo Yangjun
A global optimization strategy based on the Kriging surrogate model and parallel computing
基于克里金代理模型和并行计算的全局优化策略
  • DOI:
    10.1007/s00158-020-02495-6
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    Structural and Multidisciplinary Optimization
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Xing Jian;Luo Yangjun;Gao Zhonghao
  • 通讯作者:
    Gao Zhonghao
Topological design of freely vibrating bi-material structures to achieve the maximum band gap centering at a specified frequency
自由振动双材料结构的拓扑设计,以实现以指定频率为中心的最大带隙
  • DOI:
    10.1115/1.4050621
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    JOURNAL OF APPLIED MECHANICS-TRANSACTIONS OF THE ASME
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Liu Pai;Zhang Xiaopeng;Luo Yangjun
  • 通讯作者:
    Luo Yangjun
Multi-electrode layout design of electrorheological composite plates considering energy consumption in semi-active control
半主动控制中考虑能耗的电流变复合板多电极布局设计
  • DOI:
    10.1016/j.tws.2021.108001
  • 发表时间:
    2021-08
  • 期刊:
    Thin-Walled Structures
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Liang Kuan;Luo Yangjun;Liu Zhijun;Zhang Xiaopeng;Kang Zhan
  • 通讯作者:
    Kang Zhan
A general assessment index for non -probabilistic reliability of structures with bounded field and parametric uncertainties
有界场和参数不确定性结构非概率可靠性通用评价指标
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2020.113046
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Zhan Junjie;Luo Yangjun;Zhang Xiaopeng;Kang Zhan
  • 通讯作者:
    Kang Zhan

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其他文献

基于D-P准则的压力相关材料结构拓扑优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    罗阳军
  • 通讯作者:
    罗阳军
基于凸模型的结构非概率可靠性优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    亢战;罗阳军
  • 通讯作者:
    罗阳军
桁架结构非概率可靠性拓扑优化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    罗阳军;亢战
  • 通讯作者:
    亢战
考虑不确定性的柔性机构拓扑优化设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    亢战;罗阳军;吴子燕
  • 通讯作者:
    吴子燕
Buckling assessment of thin-walled plates with uncertain geometrical imperfections based on non-probabilistic field model
基于非概率场模型的不确定几何缺陷薄壁板屈曲评估
  • DOI:
    10.1016/j.tws.2019.106435
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    Thin-Walled Structures
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    罗阳军;战俊杰;刘湃
  • 通讯作者:
    刘湃

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AI项目思路

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罗阳军的其他基金

基于材料场级数展开的超弹性机械结构拓扑降维表征与优化设计
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目
凸集-有界场非概率描述下的多源不确定性结构可靠性优化设计
  • 批准号:
    11972104
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    62 万元
  • 项目类别:
    面上项目
应力约束下多相材料结构非概率可靠性拓扑优化方法研究
  • 批准号:
    11472215
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    78.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

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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