基于粒子群算法的复合材料框架结构频率优化

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1、乂连延＾丈葦ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ损±享恆巧文ＭＡＳＴＥ民ＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ錢基巧立子群算法的复合材料框架结构频率优化学学科专业＿＿＿＿＿繼作者姓＾指导獅＿＿＿亂呈遭ｇ＿２〇１６￥６Ｆ答辩日期＿＿＿＿＿＿＿＾＿硕古学位论文基于粒子群算法的复合材料框架结构频率优化ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＯｐ付ｍｉｚａ付ｏｎｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＰａｒｔｉｃｌｅＳｗａ

2、ｒｍＡｌｇｏｒｉｔｈｍ作者姓名：张瑞学科专业：计算力学学号：２１３０３０８０指导教师；闯军教授１完成日期：２０６年６月乂遠巧义夫嗦ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中邑经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体巳经发表的研究成果，也不包含其他己申请学位或其他用途使用过的成果一。与我同工作的同志对本研

3、究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。泉３捣絲窜去伯椅矜■学位论文题目；派娘《构橋私魚Ｉ之。Ｉ去作者签名：濟日期；年占月日祥大连理工大学硕±学位摘要纤维増强复合材料框架结构（Ｗ下简称复合材料框架结构），因其具有商比强度、高比刚度、抗疲劳Ｗ及易于拆卸等优点，而被广泛应用于航空航天、船舶及汽车等领域。当外界激振为频率与结构固有频率接近时，往往因共振将导致结构变形过大，甚至发生破坏一。因此，工程上般可通过提高结构的固有频率进而

4、改善结构的动力响应特性。因此，本文研究中Ｗ基频最大化化及前几阶频率之和（前３阶或前５阶）最大化为优化目标，对复合材料框架结构的动力性能进斤了优化设计。首先，考虑到Ｗ纤维缠绕角为设计变量时，复合材料梁的刚度是关于各层缠绕角的复杂兰角函数，将导致优化问题目标函数呈现多个局部极值的特点。传统基于梯度信息的优化算法在求解该类优化问题时，往往收敛于初始点附近的局部最优解，难Ｗ找到符合工程要求的理想优化解。因此，本文将具有全局寻优能力的粒子群算法（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｗａｒｍＯｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＰＳＯ）用

5、于复合材料框架结构的优化设计中。＞１，｜＾纤维缠绕角为设计变量ｐ，分别开展了Ｗ基频最大化与前几阶频率之和最大化为目标画数的优化设计，研究了连续纤维缠绕角对结构动力频率性能的影响。°°其次，当设计变量为连续纤维缠绕角度时，圆整后的优化结果中存在大量如２、９等的缠绕角度。包含过多的此类纤维缠绕角度将显著地増加优化结果的制造成本。考虑°°到航空航天工程中的复合材料制造工艺－，缠绕角度通常为离散角度的组合４５，０，，如°°４５和９０等。因此，本文考虑上述工程中常用的离散缠绕角度作为设计变量，分别基频最

6、大化／前几阶频率之和最大化为目标，针对复合材料框架结构的动力频率性能，基于二进制编码的离散粒子群算法，开展了离散纤维缠绕角度的优化设计。最后，为充分发挥复合材料框架结构在结构构型与材料缠绕参数两个几何层级上的可设计性优势一，开展了复合材料框架结构构型与材料缠绕参数体化的优化设计。具体优化计算中，结构构型参数（如复合材料框架中每根管件的内半径）和材料缠绕参数（如纤维缠绕角度、单层中纤维含量）为设计变量，框架结构总体积、总纤维含量为约束函数，分别Ｗ基频最大化与前几阶频率之和最大化为目标函数，研究了上述两

7、类设计变量对结构动力频率性能的影响。通过引入罚函数实现将有约束优化问题转化为无约束优化问题，对总材料的体积约束和总的纤维含量约束的罚因子分别建立了多阶优化求解技术。优化求解过程中，采用了邻域搜索技术，提高计算效率。数值算例结果表明，该结构构型和材料缠绕参数一体的优化设计能够有效提高复合材料框架结构的动力频率性能。为复合材料框架结构在工程中的应用提供了新的设计理论和技术实现方法。一关键词：复合材料框架结构；粒子群算法；动力频率优化；体优化－Ｉ－基于粒子群优化算法复合材料框架结构的动力优化

8、ＦｒｅｕｅｎｃｙＯｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｏｓｉｔｅＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＰａｒｔｉｃｌｅｑｐｐＳｗａｒｍＡｌｏｒｉｔｈｍｇＡｂｓ化ａｃｔＢｅｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｒｉｇｉｄ