检索结果-南通市图书馆

作者：孔德奎大连理工大学

学位级别：硕士

蜂窝材料除具有轻质、高比刚度/强度外,由于存在一个易于流体流动的方向并具有较大的面密度,还具有良好的主动散热能力,在航空航天等领域具有广泛的应用前景。金属蜂窝材料的性能严重依赖于单胞的拓扑形式,通过改变单胞的拓扑、布局、... 详细信息

蜂窝材料除具有轻质、高比刚度/强度外,由于存在一个易于流体流动的方向并具有较大的面密度,还具有良好的主动散热能力,在航空航天等领域具有广泛的应用前景。金属蜂窝材料的性能严重依赖于单胞的拓扑形式,通过改变单胞的拓扑、布局、尺寸等可设计参数,可以实现承载-散热的多功能协同设计,提供按需定制的蜂窝结构。增材制造能够精确制造几何高度复杂的结构,为金属蜂窝材料的设计提供了制备保障。梯度设计是提高性能的重要方式,目前研究主要集中于数值方法,缺乏可靠的实验数据支撑。本文采用增材制造工艺制备了梯度与均匀金属蜂窝试件,并搭建了强迫对流换热实验平台,采用实验与数值仿真相结合的方法研究了梯度蜂窝在恒温和恒热流加热条件下的强迫对流换热性能,讨论了梯度设计对换热性能的影响。通过实验数据验证了表征蜂窝结构换热性能的数值方法的有效性。最后,采用数值模拟的方法研究了三维梯度蜂窝结构在恒温和恒热流加热条件下不同流体流向的对流换热性能。主要研究内容如下:(1)增材制造梯度金属蜂窝对流换热实验研究与数值仿真及其快速数值方法有效性验证。采用增材制造工艺制备了梯度与均匀金属蜂窝两个试件。搭建了以铜板作为恒温载体的强迫对流换热实验平台。实验测量了在不同风速条件下梯度与均匀金属蜂窝试件的温度场与压降,实验数据结果与数值模拟结果具有良好的一致性。通过实验数据验证了通过假设每个单胞孔流体温度相同的方式考虑横截面流体温度分布能够准确有效的表征梯度蜂窝结构换热性能,而基于横截面流体恒温假设方法将产生较大的误差,该研究为进一步优化设计奠定基础。(2)考虑增材制造工艺的梯度蜂窝结构对流换热性能优化设计。已有研究表明基于横截面流体恒温假设的方法对梯度蜂窝的对流换热性能评估产生较大的误差。因此,有必要对梯度蜂窝结构设计进行重新讨论。本章在固定长宽高区域和给定的流速条件下,考虑增材制造工艺的限制,重新设计蜂窝结构。对比分析了均匀蜂窝、线性梯度蜂窝以及三维梯度蜂窝不同的设计方案。结果表明:相比于均匀蜂窝结构,横截面内的线性梯度优化设计所获得的收益不大,通过横截面和流动方向协同的三维梯度设计能够较大幅度的提升蜂窝性能。另外,在恒温条件下三维梯度蜂窝在不同流向的散热性能相似。(3)恒热流边界下梯度金属蜂窝对流换热性能分析。不同边界条件对应不同的最优设计,以上研究主要针对恒温边界条件下的梯度蜂窝设计。本章主要针对在恒热流边界条件下,采用数值和实验相结合的方法探讨了横截面内梯度蜂窝强迫对流换热性能,实验测量了在不同风速条件下梯度与均匀金属蜂窝试件上底面温度,与数值模拟结果具有良好的一致性,同时揭示了梯度蜂窝在等热流边界条件下的换热机制。另外,采用数值模拟的方法评估了在恒热流加热条件下三维梯度蜂窝结构不同流体流向的对流换热性能。结果表明,在恒热流加热条件下新型三维蜂窝结构在不同流体流向下,虽然等效传热系数相似,但实际的加热面的最高温度(温控效果)差异巨大。相比于均匀蜂窝结构,加热面最高温度下降了21.23%。

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双稳态层合板跳转过程分析与新型柔性蜂窝结构性能评价

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作者：朱艳坤大连理工大学

学位级别：硕士

可变体飞机是未来飞行器发展的方向,而发展既能够承载又能够实现较大程度变形的可变体结构和材料是其关键技术之一。可变体结构与材料需要具有更高的承载能力和更大的变形能力,而同时在变体过程中需要尽量小的构型保持力。多稳态结构具... 详细信息

可变体飞机是未来飞行器发展的方向,而发展既能够承载又能够实现较大程度变形的可变体结构和材料是其关键技术之一。可变体结构与材料需要具有更高的承载能力和更大的变形能力,而同时在变体过程中需要尽量小的构型保持力。多稳态结构具有多种不同的稳定构型,能够满足多种不同气动条件下的外形设计,同时在稳定构型状态下不需要额外的能量的输入,是可变体结构的极具潜力的候选方案之一。蜂窝材料利用壁面的弯曲变形能够实现比基体材料大10倍的弹性变形能力,与橡胶材料复合的柔性蜂窝结构是可变体结构蒙皮材料理想的候选方案之一。本文重点针对以上两种候选方案,开展了两方面的工作：一是针对双稳态复合材料层合板,提出了结构构型之间准静态和动态跳转过程更准确的分析方法;二是提出了一种具有更低驱动力和更大变形能力的新型柔性蜂窝结构,并对其进行了性能评价。具体研究内容如下： (1)双稳态层合板准静态跳转过程的理论分析模型研究。准确预测稳态构型和跳转载荷是多稳态结构设计的关键。非对称复合材料层合板是目前双稳态结构的主要形式之一。本文针对文献中基于二次多项式位移函数建立的分析模型在预测双稳态复合材料层合板临界跳转载荷时存在较大误差的问题,提出了基于高阶多项式的位移描述函数来改进理论分析模型,并将计算结果与有限元分析结果进行对比分析。结果表明：新的理论分析模型能够显著提高稳定构型的预测精度和减少计算临界跳转载荷时的误差,验证了本文所提出的理论分析模型的准确性。 (2)双稳态层合板动态跳转过程的理论分析模型研究。在实际工程中大多稳态之间的跳转过程都是瞬时完成的,因此,研究稳态构型之间的动态跳转过程具有更重要的意义。本文建立了基于四阶多项式位移描述函数的动态跳转理论分析模型,对非对称铺层的层合板结构进行无阻尼和有阻尼分析,并将计算结果与有限元分析结果进行了对比。研究表明：在无阻尼条件下,本文提出的理论理论分析模型在不同载荷工况下,所获得的结构响应(振幅和频率),比文献结果(二次多项式)更接近有限元分析结果,并且与有限元分析结果的偏差较小。在有阻尼情况下,能够获得跳转过程中较为准确的载荷与位移曲线。以上结果表明,提出的解析模型具有较高的分析精度。 (3)八边形零泊松比柔性蜂窝结构的性能分析。复合式的柔性蜂窝结构是可变体结构蒙皮材料的候选方案。通过分析零泊松比六边形蜂窝结构变形机理,提出了一种零泊松比八边形蜂窝状的新结构,给出了其等效模量和最大变形率的解析表达式,通过与有限元结果的对比分析,证明了解析解的正确性。在此基础上,通过与六边形蜂窝对比分析表明：八变形蜂窝结构在变形方向具有更低的刚度,且具有更大的变形能力。此外利用参数分析方法,讨论了壁厚、壁长等结构参数对其性能的影响,为实际设计提供参考。

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热电模块单元拓扑与模块空间布局优化设计方法研究

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作者：冯一芒大连理工大学

学位级别：硕士

温差发电具有清洁无污染、结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放物、无需维护等优点,是星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时在航空、汽车等运载装备燃料废热利用中也具有非常好的应用前景。然而低的热电... 详细信息

温差发电具有清洁无污染、结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放物、无需维护等优点,是星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时在航空、汽车等运载装备燃料废热利用中也具有非常好的应用前景。然而低的热电转换效率是制约温差发电技术应用的主要因素,如何提升其热电转换效率成为该领域的研究热点。通过热电模块的空间布局设计和组成热电模块基本单元的结构设计是提高温差发电系统热电转换效率的重要途径。拓扑优化通过材料的空间分布设计能够实现结构的创新设计,本文的主要贡献是将拓扑优化思想引入温差发电系统设计中,提出了针对热电模块基本单元的两种拓扑优化方法,讨论了优化模型参数以及可设计参数对拓扑设计结果的影响规律;发展了能快速获得温差发电系统输出功率的性能评估方法,提出了基于遗传算法的温差发电系统中热电模块的布局设计技术。具体研究内容如下:(1)基于级数展开的热电模块单元结构拓扑优化方法。基于级数展开的拓扑优化是一种新发展的方法,相比于传统的密度法,设计变量显著减少,同时可以避免棋盘格效应和网格依赖性。本文建立基于级数展开的热电模块单元结构拓扑优化方法,该方法采用有界材料场描述结构拓扑分布,并将其简化为级数展开形式,以级数的系数作为设计变量,以最大化发电功率为优化目标构建了热电模块单元结构的优化模型,推导了目标函数的解析敏度表达式,采用移动渐进线方法进行了求解。针对热电模块单元的矩形热电臂多材料设计,讨论了优化参数和边界条件对优化结果的影响,采用级数展开法与采用传统密度法的优化结果与计算时间基本一致。此外,通过拓扑优化设计的热电臂性能优于常规的分段式热电臂结构设计。(2)基于密度法的随形热电模块单元结构拓扑优化设计。随着增材制造在热电模块制备中的应用,依据热源在结构中的分布,进行特定热电模块结构设计,即随形热电模块单元结构设计成为发展的趋势。本文提出了基于密度法的随形热电模块单元结构的拓扑优化设计方法,采用完全耦合的非线性热电有限元模型对物理场进行求解,提出一种改进的最大电输出功率性能指标作为目标函数。通过对热电模块单元进行单材料与多材料的结构优化设计,确定方法最佳的优化参数设置,计算在不同电极长度和温度区间条件下的拓扑构型,表明所建立随形热电单元结构优化方法的有效性与适用性。另外,在单材料热电结构设计结果中矩形结构的性能为最优。(3)基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计。目前主要从提高材料本身性能和优化热电模块结构两方面提升性能。本文从整体出发,建立了基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计方法。融合已有的解析模型,发展了能够快速获得系统输出功率的性能评估方法;通过遗传算法,以废热气体的热电转换为例,实现了温差发电系统热电模块的布局(数量与位置)设计;讨论了废热气体流动速度和温度的影响规律。结果显示,相比于全覆盖热电模块设计方案,优化的布局方案以更少的热电模块获得了更高的电输出功率,从而证实并非布置的热电模块越多越好,存在最优的热电模块数量和位置。该研究为提升温差发电系统输出功率提供了一种可能的途径。

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预扭曲长条薄板扭转屈曲特性分析与双稳态设计

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作者：陈小莉大连理工大学

学位级别：硕士

预扭曲长条薄板结构经常作为叶片应用于航空发动机、风力发电机等大型工业装备结构中。已有的研究表明,该结构由于其特殊的几何形状显示出特殊的力学特性。本文首先推导了结构屈曲的控制方程,求解了两端简支和另两边自由条件下的扭转临... 详细信息

预扭曲长条薄板结构经常作为叶片应用于航空发动机、风力发电机等大型工业装备结构中。已有的研究表明,该结构由于其特殊的几何形状显示出特殊的力学特性。本文首先推导了结构屈曲的控制方程,求解了两端简支和另两边自由条件下的扭转临界屈曲载荷的解析表达式;其次,研究了扭转后屈曲的跳跃特性,讨论了不同可设计参数对结构扭转跳跃特性的影响规律;最后,利用扭转后屈曲的跳跃特性,通过改变其拓扑结构,提出了三种扭转双稳态结构。具体研究内容和结果如下:(1)预扭曲长条薄板扭转屈曲的解析解预测。采用理论方法推导了考虑两端简支和另两边自由条件的静力线性解与非线性解。选取线性解作为内力表达式,采用平衡方法,推导了屈曲的控制方程,通过逆法获得了扭转临界屈曲的解析表达式。通过与有限元分析结果对比,验证了静力线性解的正确性。考虑较小载荷作用时,对比线性解与非线性解,验证了选取线性解的合理性。通过与数值计算结果对比,验证了解析解的正确性。(2)预扭曲长条薄板扭转后屈曲的跳跃特性研究。通过数值分析方法,重点研究了结构扭转后屈曲特性,载荷-位移曲线表明该结构在发生扭转屈曲后会出现突然的扭转跳跃特性,即随着位移载荷的不断增大,约束反力突然大幅下降。随后,进一步讨论了不同几何参数、材料性质、结构形状及拓扑构型等可设计参数对结构的扭转跳跃性能的影响。结果表明:扭转屈曲后的扭转跳跃特性是可调的,合理的设计有望实现双稳态特性。(3)新型扭转双稳态结构设计与分析。基于可设计参数对预扭曲长条薄板结构的扭转跳跃性能的影响规律,设计了三类不同类型的扭转双稳态结构:预扭梁结构、预扭机翼骨架型结构、预扭加筋板结构。通过对三类结构在扭转载荷下的后屈曲分析,证实了其双稳态特性。通过对两种稳态形式之间的不断跳转分析,证实了该双稳态结构的可重复适用性。随后,讨论了预扭曲角、长宽比、材料性质等可设计参数对双稳态构型的跳转特性影响,并得到不同参数对每一类双稳态结构的影响规律。

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磁场重联中非对称条件和引导场影响霍尔效应的观测研究

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作者：唐斯尧中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

学位级别：硕士

磁场重联是诸多日地空间爆发性能量释放现象的关键机制,它通过改变磁场的拓扑结构,将磁场能量转化为粒子的动能和热能。磁场重联广泛存在于天体物理环境、地球空间环境和实验室等离子体环境中。大量的研究已经证明了霍尔效应是无碰撞磁... 详细信息

磁场重联是诸多日地空间爆发性能量释放现象的关键机制,它通过改变磁场的拓扑结构,将磁场能量转化为粒子的动能和热能。磁场重联广泛存在于天体物理环境、地球空间环境和实验室等离子体环境中。大量的研究已经证明了霍尔效应是无碰撞磁场重联中的标志性过程,并且在非对称条件和引导场条件下,霍尔场和电子运动会表现出不同的形态。近地空间环境为磁场重联的研究提供了天然实验室,同时,星簇计划(Cluster)和磁层多尺度探测(the Magnetospheric Multiscale,MMS)等卫星计划为磁场重联的研究提供了高时间分辨率的就位观测数据,这使得霍尔效应能够得到充分的研究。近年来,非对称磁场重联的模拟结果显示非对称条件和引导场条件下存在六极霍尔磁场模式。重联过程随着时间的发展,该模式由四极霍尔磁场演化而来。这意味着霍尔场的模式以及霍尔效应区的电子运动会随着重联过程的发展而变化,而非保持固定的模式。为了探究非对称条件和引导场对霍尔效应的影响,本文筛选了与传统霍尔模式不同的磁场重联事件,在局地坐标系下针对霍尔场和电子出流特征进行了详细的分析;除此之外,本文还研究了不同粒子混合强度下的四极霍尔磁场的非对称性。研究结果如下:1.在日侧磁层顶磁场重联中,观测到了不同于传统霍尔磁场的磁鞘侧指向平面外的异常磁场扰动。六极霍尔磁场的模拟结果解释了该异常磁场模式,这为磁层磁场重联中的六极霍尔磁场模式提供了观测证据;同时,该异常磁场周围还存在与其对应的电子出流,该电子流为其形成提供了物理解释。2.在晨侧磁层顶磁场重联中,观测到了磁层侧分离线处的明显电子出流。这一支电子出流处,同时出现了磁层侧的指向平面外的异常磁场扰动。并且该电子出流的起始点位于磁层侧新的磁场的峰值处,这意味着该磁层侧的异常磁场扰动与电子出流密切相关。3.非对称的四极霍尔磁场随着混合强度增大而趋于对称。该研究将非对称的磁场重联演变分为了早期-中期-晚期三个阶段。在重联早期,霍尔磁场保持高度非对称性,磁鞘侧的霍尔磁场的峰值位于中性片处;在重联中期,霍尔磁场是非对称的,但由于霍尔效应区的等离子体密度非对称性急剧下降,所以磁鞘侧霍尔磁场的峰值仍留在磁鞘侧;在重联晚期,随着粒子不断发生混合,霍尔效应区的等离子体密度接近对称,所以磁层侧和磁鞘侧的霍尔磁场被中性片分开,并没有产生位置的偏移。本文研究结果显示,在重联的发展过程中,由于非对称条件和引导场的不同,霍尔效应可以具有不同的形态。这些研究结果提供了对磁场重联霍尔效应的新的理解,这可以为之后的研究提供新的思路。

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面向增材制造的相变材料内嵌导热增强体设计与强化传热机制研究

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作者：马广朋大连理工大学

学位级别：硕士

固-液相变材料的高潜热及高稳定性等优点使其在储能及温控领域应用广泛,但是低的导热系数严重限制了相变材料的大规模应用。合理植入高导热材料可以有效克服其导热系数较低的缺点,大幅度提高相变材料利用率。但目前的研究仍多停留在高... 详细信息

固-液相变材料的高潜热及高稳定性等优点使其在储能及温控领域应用广泛,但是低的导热系数严重限制了相变材料的大规模应用。合理植入高导热材料可以有效克服其导热系数较低的缺点,大幅度提高相变材料利用率。但目前的研究仍多停留在高导热材料的直接应用上,缺乏可行的结构设计。增材制造的迅速发展可为导热增强体的构型设计提供强有力的技术支持。本文从热传导与热对流两个增强机制出发,对内嵌导热增强体结构进行合理的构型设计与性能分析。首先设计并利用增材制造制备了内含梯度多孔金属的相变温控装置,通过数值分析与实验对比验证了通过梯度设计进行导热增强的有效性;其次通过特殊的翅片结构设计探讨了自然对流对多孔金属导热增强的相变换热性能的贡献;最后,针对典型工程应用,设计了一种考虑两种不同增强机制作用的结构设计方案并对其性能进行评估。具体研究内容如下:(1)内嵌梯度多孔金属的增材制造相变温控装置数值与实验研究。本文首先建立了一种针对内嵌梯度多孔金属的增材制造相变温控装置的三维数值分析模型,同时为了验证数值模型的有效性搭建实验平台进行实验探究。数值结果表明:在不同的工况(加热功率)下仿真与实验结果均具有很好地一致性,证实了方法的有效性。然后以关键点的温度为评价标准,讨论了封装结构存在及壁厚、多孔介质孔隙率梯度分布等设计因素对相变温控的影响,结果表明封装结构的存在与否以及壁厚对相变温控的影响很大。相对于均匀金属多孔介质,合理的梯度设计能够明显提高相变材料的温控能力。(2)考虑自然对流强化作用的相变导热增强体结构设计。导热增强体的引入使得液态相变材料的自然对流减弱,特别是具有大比表面积的多孔金属材料严重抑制了自然对流的产生,使得热传导成为传热的主要机制。本文通过数值方法,研究了内含导热增强体的相变换热过程中自然对流的增强作用,目的是探讨在相变换热过程中同时发挥热传导和自然对流两种强化机制的可能性。研究结果表明:自然对流的存在对相变换热过程的影响不能忽略,同时发挥两种强化机制可以突破纯热传导下相变换热能力的极限。(3)基于多传热增强机制的典型工程相变温控器设计。功能需求的增加使得CCD组件面临的热环境日益严苛,相变材料的高潜热、良好的稳定性使得相变散热器相对传统散热方式优点更为突出。本文以更低的温度水平、更小的温升速度、更长的可工作时间为优化目标,考虑导热肋的梯度设计、相变材料融化的自然对流的基础上对某型CCD组件进行构型设计,结果与他人文献相比,在各个优化目标参数上均有所提升,证明了此构型设计的有效性。

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温差发电模块结构优化与热应力分析

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作者：李奔大连理工大学

学位级别：硕士

温差发电技术是一种利用功能材料的热电特性,直接将热能转化为电能的技术。具有结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放、无需维护等优点。温差发电（核能提供热源）成为星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同... 详细信息

温差发电技术是一种利用功能材料的热电特性,直接将热能转化为电能的技术。具有结构紧凑、无运动部件、使用寿命长、无排放、无需维护等优点。温差发电（核能提供热源）成为星际探测任务、海底微波中继站等极端环境下供电的唯一选择,同时温差发电技术在航空、汽车等运载装备燃料废热利用中也具有非常好的应用前景。然而热电材料本身较低的热电转换效率严重制约了其应用。为提升温差发电系统的能量转化效率,除了发展性能更为优异的热电材料,另外一个重要途径是对温差发电模块进行合理的结构设计。与此同时,温差发电模块运行时内部产生的热应力极大影响着器件的使用寿命,准确评估发电模块的热应力和分析其关键影响因素是温差发电模块设计的关键问题之一。本文首先从形状优化的角度,从理论上获得了最佳的热电臂形状,并通过详细的数值仿真证实了结论的有效性;其次,发展了考虑材料温度依赖性的分段温差发电器非线性分析模型,为后续的选材设计提供精确快速的分析工具;最后,利用数值方法分析了温差发电器的热应力分布,讨论了热电单元排列数量以及各可设计参数的影响,为提高冷热两端温差,从而提升整体换热性能提供参考。具体研究内容如下:（1）温差发电器任意变截面热电臂形状优化理论分析与数值验证。通过调整热电臂横截面在高度方向的变化从而提升温差发电器（TEG）的热电转换效率是目前研究的热点,并提出了多种横截面变化形式。本文从理论上讨论了任意横截面高度变化条件下热电臂的最佳形状,通过详细的数值分析证实了所获得结论的有效性。结果表明:改变热电臂横截面的高度变化能够改变内阻的大小,但热电臂横截面的高度变化函数并不重要,实现温差发电模块热电转化效率最大的关键是外部负载电阻与内阻之比达到一个合理的比值。因此,考虑制造工艺,建议采用等截面热电臂设计,调整外部负载电阻。另外,若以最大功率为优化目标时,热电臂采用等截面设计最佳。（2）考虑材料温度依赖性的分段温差发电器的分析模型。热电材料的性能与使用温度密切相关,通过在热电臂的多段设计（即多材料设计）能够发挥每种热电材料的最大热电转换能力,从而提高整体的热电转换性能。发展快速和准确的分段温差发电器的分析模型是进行多段温差发电器设计的基础。本文建立了考虑材料温度依赖性的分段温差发电器分析模型,通过与详细的有限元数值仿真结果对比,验证了所提出的分析模型的有效性。利用所提出的分析模型,讨论了分段热电臂交界面位置对器件转换效率的影响,并给出了最佳的热电臂分段位置。（3）温差发电模块的热应力评估与影响因素分析。本文建立了温差发电模块热电-结构耦合有限元分析模型,考虑材料的塑性变形,讨论了热电元件排列数量,陶瓷基板和导电铜片厚度对器件热应力的影响。结果表明:温差发电器导电铜片和热电臂最大应力出现在连接处的角点上;由于热电单元之间的相互影响,相比于单个热电元件,多个热电臂组成的温差发电模块的应力增加近1倍;选择较薄的陶瓷基板和导电铜片更有利于降低器件热应力。

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飞机翼面结构快速参数化建模方法与布局优化设计

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作者：姜铁良大连理工大学

学位级别：硕士

机翼是决定飞机整体性能的主要部件,其中机翼打样设计阶段确定的机翼构型几乎决定整个机翼约80%的性能。结构打样阶段的选型设计通常经过方案的不断修改与评价的方式确定,这需要多次重复建模,因此,需要研究快速有效的建模方法;另一方面... 详细信息

机翼是决定飞机整体性能的主要部件,其中机翼打样设计阶段确定的机翼构型几乎决定整个机翼约80%的性能。结构打样阶段的选型设计通常经过方案的不断修改与评价的方式确定,这需要多次重复建模,因此,需要研究快速有效的建模方法;另一方面,为了获得优质构型,先进的设计方法研究以及基于先进方法的构型设计成为重要的研究课题。本文的目的是针对选型设计中所面临的大量建模问题,研究机翼结构快速建模方法;研究机翼结构的构型设计方法以及相应的构型设计。具体内容和成果如下： 1、基于参数化的机翼结构快速建模方法研究及实现。针对飞机翼面结构的特点,提出了一种基于参数化的快速有限元建模方法。在Patran/Nastran平台下,利用PCL语言实现了参数化驱动的翼面结构建模完全自动化,开发了机翼结构快速建模的专有模块,实现了三项关键技术：1)一种新的参数化建模流程;2)由翼面投影平面网格直接生成三维翼面结构有限元模型的方法;3)实现了气动载荷的自动分配。该研究为进一步开展翼面结构的优化设计奠定基础。 2、基于梯度优化的飞机翼面结构布局设计方法研究。根据翼面结构承力构件的特点,通过变量关联技术,建立了主梁、墙、肋以及桁条的统一参数描述方式;利用基结构方法描述构件的布局,构建了以结构重量为约束、结构刚度为优化目标的多构件结构布局优化模型,推导了相应的敏度解析公式;通过具体的算例证明了方法的有效性和求解效率;讨论了基结构的布置、优化参数对最优设计结果的影响,给出了合理的优化参数设置建议;研究了蒙皮厚度对内部承力构件布置的影响,说明了蒙皮厚度与构件布局协同优化设计的必要性。以某机翼设计为例,蒙皮厚度与构件布局协同优化设计结果同仅考虑构件布局优化设计结果相比,弯曲刚度提高了8.76%。 3、机翼承力构件的多材料选择优化设计。为实现减重和降低成本的设计目标,翼梁等主承力构件往往采用不同材料的构件沿长度方向拼装而成。因此,在结构设计过程中考虑选材设计是非常必要的。以此为应用背景,提出了以制造成本为约束,以结构刚度为目标的多材料选择优化设计模型,推导了相应的敏度解析表达式。通过具体的算例证明了该方法具有较好的收敛性和求解效率。

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基于商业有限元软件的周期性材料等效性能预测均匀化实施新方法

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作者：尚士朋大连理工大学

学位级别：硕士

复合材料最大优势是具有可设计性,通过对微(或亚观)结构的调整,能够实现单一材料无法实现的性能,如轻质高强、零膨胀、负泊松比等。复合材料经常被应用于具有严酷的承载和热环境中,如高超声飞行器的热防护系统,发动机的燃烧室附近等。... 详细信息

复合材料最大优势是具有可设计性,通过对微(或亚观)结构的调整,能够实现单一材料无法实现的性能,如轻质高强、零膨胀、负泊松比等。复合材料经常被应用于具有严酷的承载和热环境中,如高超声飞行器的热防护系统,发动机的燃烧室附近等。准确预测复合材料的等效热物性参数(如热传导系数、热膨胀系数等)是进行复合材料设计和应用的基础。解析预测模型通常只能适用于简单规则的微结构,数值预测模型能够处理任意复杂的微结构,是进行复合材料设计常用方法。数值方法主要包括代表体元方法和渐进均匀化方法。代表体元方法(RVE)由于执行简单,是目前最常用的方法,然而该方法没有严格的数学基础,是一个近似模型。渐进均匀化方法具有严格的数学基础,具有较好的计算精度,但是一些执行代码往往局限于研究组内部使用,缺乏通用的软件工具。本文以现有商业有限元软件为执行平台,提出了周期性复合材料等效热传导系数预测、考虑辐射传热影响的空心材料温度场预测以及等效热膨胀系数预测的渐进均匀化方法执行新算法。该算法保留了均匀化方法计算精度的优势,同时求解过程与RVE方法一样简单。具体的研究内容和结论如下：(1)预测周期性复合材料等效热传导系数的均匀化求解新方法。热传导系数是量化材料热行为的关键热物理参数,预测周期性复合材料的等效热传导系数具有重要的意义。本文提出了基于通用商业有限元软件的渐进均匀化预测周期性复合材料热传导系数新方法,并给出了详细的执行过程。利用该方法对纤维增强复合材料、球形中空金属泡沫材料以及平面点阵材料的等效传热系数进行预测,并与现有文献的解析解、代表体元法的计算结果进行比较。研究表明：该方法能够准确预测任意几何复杂的微观结构、任意材料组成的微观单胞的等效传热系数。另外,该方法在预测过程中可以同时使用商业软件提供的杆、板、壳、实体等多种单元形式,在分析复杂结构的微单胞时,通过合理的单元选择,能够大幅度降低计算量。(2)预测考虑辐射的空心材料近似温度场的均匀化求解新方法。辐射传热在高温环境中是必须要考虑的因素。二阶双尺度的渐进均匀化方法能够预测考虑内部边界辐射传热周期性空心材料的温度场。本文研究建立了基于商业软件的考虑辐射影响的周期性空心材料温度场预测的均匀化新执行算法。通过与直接的有限元分析对比,验证方法的有效性。研究表明：在不考虑辐射的条件下,预测的一阶近似温度场的计算精度较高,而考虑辐射的二阶近似温度场结果与直接分析结果相比误差较大,最大误差为2.9%,说明二阶近似温度场中反映对宏观温度场影响的辐射换热项需要进一步的修正。(3)预测周期性复合材料等效热膨胀系数的均匀化求解新方法。对于处在热环境中的复合材料,准确预测周期性复合材料热膨胀系数是减缓结构热应力,优化结构设计的基础。本文提出了基于通用商业有限元软件的渐进均匀化预测周期性复合材料热膨胀系数新方法,并给出了详细的执行过程。该新方法以现有商业有限元软件为计算黑箱,可以使用商业有限元软件中所有的单元类型并用于单胞离散计算。利用该方法,对纤维增强复合材料、平面点阵结构、三维桁架的等效热膨胀系数进行预测,并与现有文献的传统均匀化结果、解析解进行比较,说明了该方法的可靠、有效。我们希望通过这个工作,能够使得渐进均匀化方法在复合材料等效热膨胀系数预测方面得到广泛应用。

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面向增材制造的非均质点阵填充结构快速建模技术与软件开发

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作者：高俊琪大连理工大学

学位级别：硕士

增材制造技术能够制备几何高度复杂的结构,保证了具有高承载效率的点阵填充结构的可制造性,催生了点阵填充结构的研发。研究点阵填充结构的建模方法,几何参数化描述形式以及生成可用于增材制造的模型文件,成为重要的研究课题。使用传统... 详细信息

增材制造技术能够制备几何高度复杂的结构,保证了具有高承载效率的点阵填充结构的可制造性,催生了点阵填充结构的研发。研究点阵填充结构的建模方法,几何参数化描述形式以及生成可用于增材制造的模型文件,成为重要的研究课题。使用传统基于边界表达法的实体建模软件进行大规模点阵填充结构建模,会非常繁琐耗时,且在实体模型向面片STL模型转换时,会出现精度丢失、面片破洞等问题;并且所产生的模型文件缺乏参数化信息,无法与仿真优化过程有效衔接。另外,传统CAD建模软件在对大规模点阵填充结构进行交互渲染时,会遇到渲染卡顿、交互不畅等问题,严重影响建模效率。因此研究面向大规模点阵填充结构几何模型生成的快速算法及高效的可视化软件平台,具有重要意义。本文从大规模点阵填充结构的几何模型快速生成和高效可视化两方面展开,提出了基于单胞包围盒的点阵填充结构快速几何建模方法,实现了对面片模型、实体模型以及曲面模型的点阵填充结构建模;通过层次化显示技术和交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化,显著提升了点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率;开发了大规模点阵填充结构交互式建模软件TopoBench。论文具体研究内容和成果如下:(1)异形结构点阵单胞包围盒生成算法。分析确认了决定点阵填充结构的关键配置参数和单胞几何参数,制定了点阵填充结构参数化模型的标准文件格式(.lat文件),以此为点阵填充结构建模提供核心数据文件;设计实现了面向封闭填充域和开放曲面填充域的单胞包围盒生成算法及点阵填充结构参数化模型生成算法;(2)点阵填充结构并行混合建模算法(paraHGM)。提出了一种直接生成点阵填充结构STL文件的并行混合建模算法,实现了点阵填充结构几何模型的快速自动生成,数值算例结果表明,该算法在满足几何模型生成功能的同时,具备良好的并行效果和加速比,建模效率得到很大地提升。(3)大规模点阵填充结构快速交互可视化方法。利用层次化细节显示技术及交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化;结合顶点缓存对象技术,显著提升了大规模点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率。数值算例验证了系列算法的有效性和高效性。(4)开发了面向增材制造的点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench。通过整合、封装本文实现的大规模点阵填充结构交互建模算法和快速可视化算法,开发了基于MVC(Model-View-Controller)架构体系的大规模点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench,通过若干实例验证了软件在交互式点阵填充结构建模方面的可靠性和高效性。

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