基于關鍵時間點的能量等效靜態(tài)載荷法及結構動態(tài)響應優(yōu)化研究.pdf

1、傳統(tǒng)的結構優(yōu)化設計是靜態(tài)載荷下的優(yōu)化設計,而工程實際中的機械結構普遍承受動態(tài)載荷作用,因此靜態(tài)優(yōu)化設計的結果已不能滿足結構動態(tài)性能的要求。而直接進行動態(tài)響應優(yōu)化設計時,由于與時間相關的動態(tài)約束處理非常困難,往往導致計算規(guī)模大且難以收斂,所以該方法在工程實際應用中尚不可行。因此,人們考慮將動態(tài)載荷等效轉化為靜態(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)載荷轉化為靜態(tài)載荷,進而將結構動態(tài)響應優(yōu)化問題轉化為靜態(tài)響應優(yōu)化問題,但

2、該方法是以最大位移點為等效轉化時間點,沒有考慮最大應力點時刻的動態(tài)響應,不能全面反映結構的動態(tài)性能,而等效轉化關鍵時間點難以識別。同時基于位移等效靜態(tài)載荷法存在計算復雜、優(yōu)化效率低的問題,導致工程實用性差。另外,目前的結構動態(tài)響應優(yōu)化是以位移響應為基礎的,忽略了應力響應對結構動態(tài)性能的影響。
　　論文針對目前結構動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉化時關鍵時間點難以識別的問題,提出了一種動態(tài)響應解空間譜元離散的關鍵時間點識別方法。應用譜元法離散以及

3、在高斯-勒讓德-羅巴托(GLL)點插值的高精度優(yōu)勢,將模態(tài)疊加法計算得到的結構動態(tài)響應(包括應力響應和位移響應)解空間進行譜元離散,并在GLL點進行Lagrange插值,得到了動態(tài)響應時間歷程的高精度插值函數,構建了動態(tài)載荷作用下結構關鍵時間點識別的數學模型,并利用全局優(yōu)化算法(DIRECT法)得到結構動態(tài)響應的絕對極大值點,即關鍵時間點,并以124桿平面桁架和懸臂梁為算例,驗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)化計算復雜、工程實用性差的問題,提出了一種基于能量等效的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉化方法?；谳d荷等效前后結構能量守恒的原理,通過在關鍵時間點構建動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉化的數學模型,并采用全局優(yōu)化算法(DIRECT法)搜索得到了關鍵時間點的等效載荷集。同樣以124桿平面桁架為算例進行分析,驗證了本文方法的有效性。
　　論文針對基于位移等效靜態(tài)載荷法在進行結構動態(tài)優(yōu)化時,單純考慮位移響應的不足,提出了一種基于系統(tǒng)響應的結構動態(tài)優(yōu)化設計方

5、法。在構建結構優(yōu)化模型時,同時考慮動態(tài)載荷作用的結構位移響應和應力響應,將分別從最大應力、最大位移角度識別的關鍵時間點等效轉化得到的靜態(tài)載荷集,作為結構動態(tài)優(yōu)化的外載荷條件,進行結構優(yōu)化設計。并以圓形中空截面梁、3桿桁架結構、10桿桁架結構等算例為研究對象進行驗證,通過與文獻分析對比,表明本文得到的優(yōu)化結果更加精確。
　　論文以某柴油機活塞為應用對象,結合試驗結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)點的溫度

6、;開展了活塞熱機耦合靜力學分析和瞬態(tài)動力學分析,得到了活塞動態(tài)響應解空間,分別應用本文提出的關鍵時間點識別方法和基于能量原理的等效載荷法進行活塞在關鍵時間點的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉化,并應用基于系統(tǒng)響應的結構優(yōu)化設計方法,實現了活塞的動態(tài)響應優(yōu)化設計,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)載荷法及其在結構動態(tài)響應優(yōu)化中的應用,在載荷等效轉化關鍵時間點識別、基于能量原理的動態(tài)載荷等效靜態(tài)轉化、基于系統(tǒng)響應的結構動態(tài)響應