[理學(xué)]jifex---中國自主研發(fā)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-02-14 12:49 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 式的基礎(chǔ)上，提出基于時域的逐步溫度增量分析與參變量變分原理的二次規(guī)劃算法分別進(jìn)行傳熱與接觸兩類問題的求解，通過兩類問題的交替迭代求解達(dá)到耦合分析目的。在熱傳導(dǎo)分析中建立了接觸面熱交換與溫度關(guān)系模型，較已有文獻(xiàn)的模型更為靈活，可以模擬間隙內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)熱特性。參數(shù)二次規(guī)劃算法導(dǎo)出的接觸剛度陣中的懲罰因子，在熱接觸分析中同樣可以消除，從而保證了求解精度。實(shí)際計(jì)算驗(yàn)證了算法具有很好的精度和收斂特性。 圖三維彈塑性接觸分析圖青馬大橋隨機(jī)振動分析虛擬激勵算法 先進(jìn)實(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法CAE主要包括產(chǎn)品性能的分析仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，其高端技術(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)，是工業(yè)裝備和產(chǎn)品數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)與精細(xì)化設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是提高企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)，是國防和軍工裝備研制的戰(zhàn)略技術(shù)。1) 靈敏度分析半解析算法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法的效率依賴于結(jié)構(gòu)響應(yīng)靈敏度分析。因此，研究靈敏度分析半解析算法的計(jì)算格式和精度問題具有重要意義。半解析算法中，將靈敏度分析問題轉(zhuǎn)化為擬荷載下的結(jié)構(gòu)有限元分析問題，其中可以利用直接分析中已經(jīng)完成分解的剛度陣進(jìn)行求解，因而具有較高效率。同時，該方法在單元級剛度陣導(dǎo)數(shù)計(jì)算中采用差分法，可以適用于不同類型的設(shè)計(jì)變量。目前，半解析算法已經(jīng)應(yīng)用于JIFEX程序系統(tǒng)中多種響應(yīng)的靈敏度分析，顯示出效率和精度方面的優(yōu)勢。2) 桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的奇異最優(yōu)解研究。對桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的奇異最優(yōu)解現(xiàn)象進(jìn)行的深入研究，首次指出：所謂奇異最優(yōu)解實(shí)際上是位于設(shè)計(jì)空間中某個低維子域的端點(diǎn)。這一論斷糾正了文獻(xiàn)中長期存在的錯誤，正確揭示了產(chǎn)生奇異最優(yōu)解的根本原因。同時，還提出了處理結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化奇異性問題的Epsilon放松以及延拓、外推等改進(jìn)算法，從而成功地將結(jié)構(gòu)尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化統(tǒng)一在了同一求解框架之下。該研究成果于2003年和2005年分別獲得教育部提名國家自然科學(xué)一等獎以及遼寧省自然科學(xué)一等獎。采用這一成果，可有效解決應(yīng)力約束下桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)值困難。3) 熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在溫度場和機(jī)械載荷聯(lián)合作用下，主要特點(diǎn)是研究結(jié)構(gòu)中溫度場和力學(xué)響應(yīng)的耦合作用。這里研究工作在有限元離散模型下，提出了熱應(yīng)力、熱屈曲、熱振動三類結(jié)構(gòu)熱力力學(xué)響應(yīng)問題的耦合靈敏度分析的直接法和伴隨法兩種計(jì)算模式，建立了三類傳熱結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合問題優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和求解方法。在結(jié)構(gòu)響應(yīng)與靈敏度計(jì)算中，考慮了線性和非線性熱傳導(dǎo)的耦合作用，優(yōu)化模型和方法適合于結(jié)構(gòu)、材料、熱傳導(dǎo)方程及熱邊界條件多種參數(shù)，能夠解決熱結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、材料優(yōu)化問題。其中，關(guān)于熱屈曲和熱振動靈敏度分析伴隨法的計(jì)算列式、結(jié)構(gòu)熱振動的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，均為JIFEX軟件系統(tǒng)支撐理論研究首次給出。4) 溫度場優(yōu)化方法。借鑒結(jié)構(gòu)優(yōu)化中靈敏度分析方法，綜合考慮了結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、物性參數(shù)和熱傳導(dǎo)方程參數(shù)等多種變量，系統(tǒng)地研究了穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、相變傳熱的溫度場靈敏度計(jì)算方法和優(yōu)化方法。對于線性熱傳導(dǎo)問題，研究了分別適合不同設(shè)計(jì)變量和約束數(shù)目的直接法和伴隨法兩種計(jì)算格式。在瞬態(tài)熱傳導(dǎo)靈敏度方程求解中，提出了新的精細(xì)積分求解算法，具有很高的數(shù)值精度并克服了傳統(tǒng)時間差分算法中的數(shù)值振蕩現(xiàn)象；對于非線性傳熱問題，提出了非線性熱傳導(dǎo)靈敏度方程的精細(xì)積分預(yù)測校正求解算法，提高了計(jì)算精度和數(shù)值穩(wěn)定性。對于相變傳熱問題，提出了基于等效熱容法的相變溫度場靈敏度計(jì)算方法，克服了單一相變溫度或小相變溫度區(qū)間下的數(shù)值奇異問題?；谏鲜鲮`敏度分析方法，建立了線性和非線性穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱以及相變傳熱的溫度場優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和數(shù)值求解方法，適合于多種設(shè)計(jì)變量，并可處理熱控和參數(shù)反演問題。5) 提出了結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力響應(yīng)靈敏度計(jì)算的精細(xì)積分方法、結(jié)構(gòu)隨機(jī)響應(yīng)的靈敏度計(jì)算方法、機(jī)械荷載與熱載荷的屈曲靈敏度耦合計(jì)算方法、復(fù)合材料層合板的分層優(yōu)化方法等系列新算法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)、隨機(jī)振動響應(yīng)、屈曲穩(wěn)定性等多種性能指標(biāo)和約束的組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。6) 三維參數(shù)化形狀優(yōu)化方法。目前有限元模型描述方法一般為靜態(tài)的或準(zhǔn)動態(tài)的，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動態(tài)特性，如修改與重分析的要求，嚴(yán)重地削弱了設(shè)計(jì)的自動化程度和設(shè)計(jì)效率的提高。特別地，在結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，已有的各種建模方法對于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)都十分困難以至于無法實(shí)際應(yīng)用。參數(shù)化CAD/CAE軟件集成，是當(dāng)前CAE領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，它將CAD的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)擴(kuò)展到CAE計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)基于幾何特征的快速動態(tài)參數(shù)化計(jì)算。，基于參數(shù)化CAD幾何造型平臺及其與CAE集成，建立了設(shè)計(jì)參數(shù)、幾何模型、有限元模型、優(yōu)化模型之間的高效參數(shù)聯(lián)動，提出了參數(shù)化動態(tài)有限元模型描述和自動更新方法，從而實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體和曲面結(jié)構(gòu)的參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這一方法解決了形狀優(yōu)化建模困難、與CAD設(shè)計(jì)模型不一致的關(guān)鍵問題，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了通用的、高效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方面，JIFEX軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與裝備的動力響應(yīng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱力力學(xué)性能（熱應(yīng)力、熱變形、熱屈曲、熱振動）優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，并達(dá)
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