基于關(guān)鍵時間點(diǎn)的能量等效靜態(tài)載荷法及結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化研究.pdf

1、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是靜態(tài)載荷下的優(yōu)化設(shè)計,而工程實(shí)際中的機(jī)械結(jié)構(gòu)普遍承受動態(tài)載荷作用,因此靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果已不能滿足結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的要求。而直接進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計時,由于與時間相關(guān)的動態(tài)約束處理非常困難,往往導(dǎo)致計算規(guī)模大且難以收斂,所以該方法在工程實(shí)際應(yīng)用中尚不可行。因此,人們考慮將動態(tài)載荷等效轉(zhuǎn)化為靜態(tài)載荷。目前基于位移的等效靜態(tài)載荷法,是通過位移場等效將動態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為靜態(tài)載荷,進(jìn)而將結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為靜態(tài)響應(yīng)優(yōu)化問題,但

2、該方法是以最大位移點(diǎn)為等效轉(zhuǎn)化時間點(diǎn),沒有考慮最大應(yīng)力點(diǎn)時刻的動態(tài)響應(yīng),不能全面反映結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能,而等效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵時間點(diǎn)難以識別。同時基于位移等效靜態(tài)載荷法存在計算復(fù)雜、優(yōu)化效率低的問題,導(dǎo)致工程實(shí)用性差。另外,目前的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化是以位移響應(yīng)為基礎(chǔ)的,忽略了應(yīng)力響應(yīng)對結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的影響。
　　論文針對目前結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉(zhuǎn)化時關(guān)鍵時間點(diǎn)難以識別的問題,提出了一種動態(tài)響應(yīng)解空間譜元離散的關(guān)鍵時間點(diǎn)識別方法。應(yīng)用譜元法離散以及

3、在高斯-勒讓德-羅巴托(GLL)點(diǎn)插值的高精度優(yōu)勢,將模態(tài)疊加法計算得到的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)(包括應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng))解空間進(jìn)行譜元離散,并在GLL點(diǎn)進(jìn)行Lagrange插值,得到了動態(tài)響應(yīng)時間歷程的高精度插值函數(shù),構(gòu)建了動態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵時間點(diǎn)識別的數(shù)學(xué)模型,并利用全局優(yōu)化算法(DIRECT法)得到結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的絕對極大值點(diǎn),即關(guān)鍵時間點(diǎn),并以124桿平面桁架和懸臂梁為算例,驗(yàn)證了本文方法的有效性。
　　論文針對基于位移等效靜態(tài)載

4、荷法的優(yōu)化計算復(fù)雜、工程實(shí)用性差的問題,提出了一種基于能量等效的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉(zhuǎn)化方法?；谳d荷等效前后結(jié)構(gòu)能量守恒的原理,通過在關(guān)鍵時間點(diǎn)構(gòu)建動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型,并采用全局優(yōu)化算法(DIRECT法)搜索得到了關(guān)鍵時間點(diǎn)的等效載荷集。同樣以124桿平面桁架為算例進(jìn)行分析,驗(yàn)證了本文方法的有效性。
　　論文針對基于位移等效靜態(tài)載荷法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化時,單純考慮位移響應(yīng)的不足,提出了一種基于系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方

5、法。在構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型時,同時考慮動態(tài)載荷作用的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng),將分別從最大應(yīng)力、最大位移角度識別的關(guān)鍵時間點(diǎn)等效轉(zhuǎn)化得到的靜態(tài)載荷集,作為結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化的外載荷條件,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。并以圓形中空截面梁、3桿桁架結(jié)構(gòu)、10桿桁架結(jié)構(gòu)等算例為研究對象進(jìn)行驗(yàn)證,通過與文獻(xiàn)分析對比,表明本文得到的優(yōu)化結(jié)果更加精確。
　　論文以某柴油機(jī)活塞為應(yīng)用對象,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果修正了活塞的熱邊界條件,利用有限元法仿真分析得到了活塞各個節(jié)點(diǎn)的溫度

6、;開展了活塞熱機(jī)耦合靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析,得到了活塞動態(tài)響應(yīng)解空間,分別應(yīng)用本文提出的關(guān)鍵時間點(diǎn)識別方法和基于能量原理的等效載荷法進(jìn)行活塞在關(guān)鍵時間點(diǎn)的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉(zhuǎn)化,并應(yīng)用基于系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法,實(shí)現(xiàn)了活塞的動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計,取得了良好的效果。
　　本文研究了基于能量原理的等效靜態(tài)載荷法及其在結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化中的應(yīng)用,在載荷等效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵時間點(diǎn)識別、基于能量原理的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉(zhuǎn)化、基于系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)