轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法.pdf

《轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2015年3月北京航空航天大学学报March2015第41卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．3http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001．5965．2014．0232轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法范俊1’2，尹泽勇“⋯，王建军1，米栋1”，闫成1(1．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2．陆航研究所，北京lOll21；3．中航工业航空动力机械研究所，株洲412002

2、)摘要：为了减小人为选择参数对优化结果的影响，针对航空发动机轮盘概念设计阶段的结构优化问题，提出了拓扑和形状同时优化(STSO)法．该方法是在变密度(SIMP)法的基础上，通过分析优化目标和约束的灵敏度，用序列二次规划优化(SQP)法进行求解．接着，以板壳结构为例，对比分析了STSO法和分步优化法的结果，说明了拓扑和形状同时优化方法的优点．最后，将同时优化方法应用于轮盘结构概念设计，对比分析了使用拓扑和形状同时优化方法与单独拓扑优化方法进行轮盘结构优化的结果，探讨了不同振型对应的频率约束对优化结果的影响．结果表明，不同振型对应的频率约束下优化结果的结构形式呈现多样性；相

3、较于单独拓扑优化方法，STSO法收敛速度较快、结果也更精确；但是由于形状优化变量取值范围选取不当，有可能会出现网格畸变过大，而导致STSO法所得的结果无效．关键词：航空发动机；轮盘；拓扑和形状同时优化法；变密度法；频率约束中图分类号：V231．91文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)03m456．10结构优化包括拓扑、形状和尺寸优化3个阶段，对于前2个优化阶段，通常的优化顺序是，先进行拓扑优化，在拓扑优化结果的基础上，再进行形状优化．在这种分步进行的优化过程中，需要人为设定一个大小一定的不可调的初始设计区域用于拓扑优化；并且在基于变密度法(即SIMP法

4、)的拓扑优化过程结束后，还需要人为设定一个用于删除中间密度单元的相对密度门槛值．然而，假如这两种人为设定参数选择不恰当，就有可能使得优化结果并不是最优解．为了减小上述两类人为选择参数对优化结果的影响，本文提出了一种拓扑和形状同时优化(STSO)的方法．国外学者Deaton等⋯认为从拓扑优化结果到形状优化初始设计模型的转化，是未来连续体多学科拓扑优化研究重点之一．Ansola等旧1论述了一个形状和拓扑组合优化的方法，在该方法中，交替进行形状和拓扑优化步骤，而在每一个步骤中，先进行形状优化再进行拓扑优化；这些步骤不断重复，直到得到一个收敛的全局解．Hassani等"1论述了

5、一个板壳结构形状和拓扑同时优化的方法，在该方法中，形状和拓扑优化不是分开进行的，而是并行的．上述两篇文献除了优化流程不一致之外，在优化算法上也是不一样的，Ansola采取的是单纯形法，Hassani采取的是移动渐进线法．国内学者张卫红等Ho为了解决压力载荷作用下的结构轻量化设计问题，直接采用B样条曲线描述压力加载面，通过拓扑和形状变量的联合优化满足了工程实际对结构轻量化与边界的功能性与光滑性设计要求．虽然本文中的拓扑和形状优化也是并行的，但与上述文献只考虑收稿日期：2014-04-29；录用日期：2014-09-22；网络出版时间：2014-10-2219：11网络出版

6、地址：www．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0232．html基金项目：国家863计划资助项目(2006AA042418)作者简介：范俊(1982一)，男，江西丰城人，博士生，fanjun93404@126．corn}通讯作者：尹泽勇(1945一)，男，重庆人，院士，yinzy@cae．cn，主要研究方向为航空发动机多学科优化设计技术．戮用格式：范俊．尹泽勇．I建军．等．轮盘概念设计中拓扑和形状商时优化方法￡J]．北京航空航天大学学报，2015，41(3)：456_465．FanJ．YinZY．WangJJ

7、．eta1．SimultaneoustopologyandshapeoptimizationmethodinconceptualdesignofdisklJ3．Jour-halofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，4J(3)：456-465(inChinese)．第3期范俊，等：轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法457应变能和应力优化响应不同，本文的优化模型中还考虑了以频率为约束的三维实体结构(轮盘)动力学优化，采用的优化算法是序列二次规划优化算法(SQP法)．轮盘是航