复合材料结构流固耦合优化设计的关键问题研究

为解决复合材料结构流固耦合优化中的关键问题，提高优化效率，本项目开展以下研究：1)提出复合材料结构同级优化模型，可显著减少变量个数，从而提高效率。该模型不采用现有分级方法，对铺层顺序与厚度同时优化，由于变量个数与子设计区域的多少无关，容易实现纤维的连续性等工艺要求，且具有成本评估函数，特别适合于大型低成本复合材料结构优化设计。2）提出一种基于初始气动网格的B样条位移传递方法。在复杂曲面结构流固耦合设计中，该方法效率高，生成的气动网格鲁棒性高，光顺性好，不会出现气动网格的负体积现象。3）研究基于均匀设计的在线修正KRINGING近似方法，可以建立高精度近似模型，从而大幅减小高精度分析次数，缩短优化时间。4）采用上述研究方法，在高能计算机上，并行实现采用遗传算法的复合材料结构流固耦合优化设计方法，以验证本项目研究成果的有效性。本项目研究，将有助于提高我国复合材料结构优化设计水平。

按照合同任务书的要求，全部完成了相关研究内容。发表相关论文6篇，其中EI收录4篇，SCI收录1篇，已经获得受理号的国家发明专利3项，培养博士生1名（获校级优秀毕业生），研究生5名。本项目主要完成了以下研究：.1)发展了复合材料结构同级优化一维和二维模型，可显著减少变量个数，从而提高效率。该模型不采用现有分级方法，对铺层顺序与厚度同时优化，由于变量个数与子设计区域的多少无关，特别适合于大型低成本复合材料结构优化设计。经多个复合材料结构优化算例，验证了上述方法的有效性。.2）在复杂曲面结构流固耦合设计中，发展了一种局部动态插值方法，提高计算效率和稳定性；插值区域大小根据结构表面的曲率动态确定，排除了可能引起振荡的插值点，保证了变形后表面的光顺性；用多点挑的方法传递气动载荷，保证了力的等效；对气动力的传递和位移的传递采用相同的数据点，尽可能保证耦合过程中的能量守恒。.3）研究了基于均匀设计KRINGING近似方法，以及基于稀疏网格方法构建近似方法。算例测试结果表明，稀疏网格插值方法在拟合低维高阶问题时拟合精度高于KRINGING近似方法，且样本点较少。现本项目发展的稀疏网格插值模型，对拥有7个设计变量的NASA的减速器进行优化设计，取得了很好的效果。.4）在高能计算机上，并行实现采用遗传算法的复合材料结构流固耦合优化设计方法，采用C语言进行了编程，对某临近空间复合材料螺旋桨进行了优化设计，并加工生产，经飞行试验表明该复合材料螺旋桨的性能很好的满足了设计指标要求。