基于双向渐进结构优化法的"破损-安全"结构轻量化设计

摘要：

"破损-安全"(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节;然而,冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低,严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization),提出了一种"破损-安全"结构轻量化设计方法.具体地,设计方法采用"0/1"离散拓扑变量,以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标,同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值).针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈,采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚,并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数,实现结构轻量化与"破损-安全"的同步设计.进一步地,并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于"破损-安全"的影响程度进行判定,通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束,大幅度地提升了优化设计效率.通过系列基准测试算例,验证了论文"破损-安全"设计方法的有效性及高效性.

关键词：破损-安全、拓扑优化、渐进优化法、轻量化设计、残余承载能力

所属期刊栏目：44

分类号：TH213.6;TH137;U491

资助基金：国家重点研发计划;国家自然科学基金;国家自然科学基金;湖北省杰出青年基金项目

在线出版日期：2023-04-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共14页

页码：70-83