基于ANSYS平台柔性机翼拓扑优化设计

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本文开展了基于ANSYS软件工作平台并应用渐进结构优化方法(EvolutionaryStructure Optimization,简称ESO法)解决工程问题的研究与应用。将大型商用有限元软件ANSYS与先进飞行器结构设计理念相结合,针对实际工程结构设计的需要将ESO算法应用于柔性机翼结构的概念设计阶段。根据初步的优化结果进行对比与讨论,以ANSYS软件平台对优化结果做出分析与总结。主要研究内容概述如下。首先,回溯了结构优化设计方法发展的历程以及拓扑优化设计在其中的重要地位。对前后出现的各种优化理论、方法和策略均做了简明扼要的阐述,其中着重介绍了简单高效的ESO算法并对其优缺点做了深入的讨论。基于APDL语言编写程序对传统的ESO算法进行了数值实现。根据优化方向侧重点的不同,分别介绍了基于应力水平删除材料的方法和基于总刚度约束的方法。在此基础上,为提高优化策略的严谨性引入位移灵敏度分析和应力灵敏度分析,探讨了具有应力约束和位移约束的连续体结构拓扑优化的单元删除策略。并通过若干个典型工程算例的优化结果对方法的有效性做了验证。其次,研究了多工况、多约束以及多材料条件提出的现实背景,将其融入ESO方法并做了一定的改进和完善,应用APDL语言编程在ANSYS平台上对改进方法做了验证,以及对优化结果与优化参数的关联性做出必要的讨论与分析。然后,追踪国内外航空界的前沿研究与发展,将柔性智能结构概念应用于先进的自适应机翼(Aadaptive wing)技术,从工程角度探讨其实现的理论依据和方法。并针对某型号飞机的机翼前缘部分进行了概念设计阶段的拓扑优化设计,设计过程分为两阶段且各阶段优化的目标函数、约束条件等均有所不同。在此基础上针对两阶优化结果分别做了细致的研究,并探讨了实现适应多种飞行状态下的最佳气动外形的结构的可行性。最后,对基于ANSYS平台进行柔性机翼结构优化设计提出了总结。分析了ESO算法在实践过程中可能遇到的问题并对其未来的发展做出了展望。
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