考虑界面力学性能的组件及结构的协同优化1)

马 晶 赵明宣 王浩淼 刘 湃,2) 亢 战

*(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024)

†(上海宇航系统工程研究所,上海 201109)

引言

自20 世纪90 年代Bendsøe 和Kikuchi[1]基于数值均匀化的拓扑优化方法提出以来,结构拓扑优化技术经历了近30 年的快速发展,形成了较为成熟的理论体系,并被广泛应用于航空、航天[2-3]、汽车[4]等各领域结构的轻量化[5]、多功能材料[6]等性能设计.在概念设计阶段,结构拓扑优化技术在满足多种设计约束的前提下,同时优化结构的形状及拓扑以实现特定的优化目标.目前,被广泛采用的拓扑优化方法主要包括变密度法[7](solid isotropic material with penalization,SIMP)、渐进结构优化法[8-9]及水平集方法[10-13],并发展出为各种具体的理论[14]和方法[15].其中,水平集方法基于隐式边界描述,便于处理结构边界的演化、融合,并能够提供清晰的结构边界描述.

在工程领域,包含嵌入式组件的结构较为常见,如卫星支架与导航定位等功能性组件.通常,此类包含嵌入式组件的结构需要应用在空间紧俏的狭小空间(如航天工程[16-17](如图1 所示),微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)以及汽车工程等),因而此类结构也常将部分功能性组件用于结构承载.

图1 典型的飞行器多组件结构系统[17]Fig.1 Typical aircraft multi-component structure system[17]

针对这类结构,功能性组件与支撑材料连接界面的失效,会导致结构的刚度下降甚至完全丧失承载力.因而,考虑连接界面的力学性能对多组件结构进行设计十分必要.此外,为实现多组件结构的最优性能,需同时对支撑材料的分布及功能性……