大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化方法与应用研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    11672239
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    62.0万
  • 负责人：
    高彤
  • 依托单位：
    西北工业大学
  • 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：
    2020
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Structural topology optimization under complicated load cases is the key fundament of the high-performance and lightweight design of the aerospace structures. Based on the engineering requirements in the structural design of the hypersonic vehicle, topology optimization of the thermo-elastic continuum structures involving high temperature-gradient is proposed and investigated in this project. The main research contents are as follows. (a) Breaking through the assumption of constant material properties, the interpolation models of temperature-dependent material properties are proposed in the case of high temperature-gradient. (b) Topology optimization method of continuum structures involving high temperature-gradient is proposed for static and dynamic problems. (c) The performance of partial structure is studied and the thermo-elastic structures are topological optimized matching in the performances of the global and partial structure. (d) A program for the topology optimization of large-scale thermo-elastic structures is developed and typical aerospace structures are optimized, manufactured and tested. The achievements of this project have an important guiding significance in the aerospace structural design and an effective design software will be developed for the structural design of the hypersonic vehicle.
复杂载荷作用下结构拓扑优化是实现飞行器结构高性能与轻量化设计的重要支撑技术。本项目以高超声速飞行器结构设计需求为背景，提炼出“大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化设计”这一科学问题，属于拓扑优化领域的学术前沿，研究内容包括：①突破材料属性恒定假设，在材料插值模型中引入温度参数，研究建立大梯度高温环境下材料属性插值模型；②研究建立大梯度高温环境下结构热弹性耦合静/动力学拓扑优化方法；③提出结构静/动力学局部性能概念，研究建立结构局部性能和整体性能的匹配设计方法；④开发热弹性耦合结构拓扑优化设计程序，完成典型飞行器结构优化设计、样件加工与性能测试。研究成果对提高飞行器结构设计能力具有重要的指导作用，将为高超声速飞行器结构设计提供有效的软件工具。

结项摘要

大梯度高温环境是高超声速飞行器结构的典型服役环境，热弹性耦合结构设计是高超声速飞行器研制的关键。本项目以高超声速飞行器结构设计需求为背景，提炼出“大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化设计”这一科学问题，着重研究大梯度温度场下考虑材料非线性的热弹性耦合拓扑优化方法，同时根据工程需求建立了多种结构设计问题的优化方法。完成的主要研究工作包括：①突破材料属性恒定假设，在材料插值模型中引入温度参数，建立了大梯度高温环境下材料属性插值模型；②建立了结构性能灵敏度求解的迭代算法，有效解决了材料非线性造成的伴随法中非对称热传导矩阵导致平衡方程难以求解的问题，建立了大梯度高温环境下结构传热性能和热弹性耦合拓扑优化方法；③提出结构局部性能概念，建立了结构局部性能和整体性能的匹配设计方法，包括热结构局部保形拓扑优化和考虑区域法向变形一致性的拓扑优化方法；④基于结构支反力向量构造了支反力均匀性和载荷分配的定量模型，分别建立了考虑支反力均匀性及载荷分配的拓扑优化方法；⑤利用大质量法、模态加速度法和虚拟激励法，建立了基础简谐/随机加速度激励下结构拓扑优化设计方法；⑥利用基于应变能的均匀化方法对点阵宏观性能进行等效，建立了基于多相材料拓扑优化的点阵-加筋结构协同优化设计方法。⑦在轴对称结构的固定网格B样条有限胞元法计算框架下，引入水平集函数描述的B样条曲线作为孔洞特征驱动设计区域的拓扑演化，建立了轴对称结构拓扑与压力边界形状协同优化设计方法。应用理论方法研究成果，完成了多项高速飞行器热结构优化设计，减重效果显著；其中，某型高速飞行器舵面结构减重超过60%，某型高速飞行器主承力接头热弹性耦合优化设计方案减重超18%并已完成地面试验，充分验证了本项目成果的工程价值和实用性。本项目成果对提高飞行器热结构设计能力具有重要的指导作用和实用价值。

项目成果

期刊论文数量（8）
专著数量（0）
科研奖励数量（2）
会议论文数量（0）
专利数量（14）
Topology optimization of continuum structures subjected to the variance constraint of reaction forces
反作用力方差约束下连续体结构的拓扑优化
  • DOI：
    10.1007/s00158-017-1742-0
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    Structural and Multidisciplinary Optimization
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Gao Tong;Qiu Libin;Zhang Weihong
  • 通讯作者：
    Zhang Weihong
From Topology Optimization Design to Additive Manufacturing: Today's Success and Tomorrow's Roadmap (vol 27, pg 805, 2020)
从拓扑优化设计到增材制造：今天的成功和明天的路线图（第 27 卷，第 805 页，2020 年）
  • DOI：
    10.1007/s11831-020-09445-x
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Archives of Computational Methods in Engineering
  • 影响因子：
    9.7
  • 作者：
    Meng Liang;Zhang Weihong;Quan Dongliang;Shi Guanghui;Tang Lei;Hou Yuliang;Breitkopf Piotr;Zhu Jihong;Gao Tong
  • 通讯作者：
    Gao Tong
An inverse approach to the accurate modelling of 3D-printed sandwich panels with lattice core using beams of variable cross-section
使用可变横截面梁对带晶格芯的 3D 打印夹芯板进行精确建模的逆向方法
  • DOI：
    10.1016/j.compstruct.2020.112363
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Composite Structures
  • 影响因子：
    6.3
  • 作者：
    Liang Meng;Xueying Qiu;Tong Gao;Zhengyang Li;Weihong Zhang
  • 通讯作者：
    Weihong Zhang
An aerospace bracket designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing
采用热弹性拓扑优化设计、增材制造制造的航空航天支架
  • DOI：
    10.1016/j.cja.2019.09.006
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Chinese Journal of Aeronautics
  • 影响因子：
    5.7
  • 作者：
    Guanghui SHI;Chengqi GUAN;Dongliang QUAN;Dongtao WU;Lei TANG;Tong GAO
  • 通讯作者：
    Tong GAO
Topology optimization of nonlinear heat conduction problems involving large temperature gradient
大温度梯度非线性热传导问题的拓扑优化
  • DOI：
    10.1016/j.cma.2019.112600
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子：
    7.2
  • 作者：
    Tang Lei;Gao Tong;Song Longlong;Meng Liang;Zhang Chengqi;Zhang Weihong
  • 通讯作者：
    Zhang Weihong

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Unusual adsorption and desorption behaviors of NO and CO on nanoporous nickel phosphate VSB-5: In situ FT-IR and TPD study
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  • 发表时间：
    2015
  • 期刊：
    Journal of Nanoscience and Nanotechnology
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    钮峰;高彤;张宁;陈智;黄巧莉;秦来顺;孙杏国;黄岳祥
  • 通讯作者：
    黄岳祥
面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2022
  • 期刊：
    中国机械工程
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    孟亮;仲明哲;李文彪;夏凉;高彤;朱继宏;张卫红
  • 通讯作者：
    张卫红

其他文献

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考虑几何非线性的多尺度混杂结构气动-弹性耦合拓扑优化方法研究
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    面上项目
连续体结构动力响应下的拓扑优化方法研究
  • 批准号：
    U1330124
  • 批准年份：
    2013
  • 资助金额：
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  • 项目类别：
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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：

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AI技术路线图

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          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]
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          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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