基于全局POD降阶模型的复杂薄壁结构减振优化

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27900

固体力学与飞行器总体设计

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基于全局POD降阶模型的复杂薄壁结构减振优化

可钊¹^,², 时永鑫¹, 张鹏³, 田阔¹(), 王博¹

^1.大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024
^2.航天科工火箭技术有限公司，武汉 430040
^3.中国空间技术研究院北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

收稿日期:2022-08-06 修回日期:2022-10-20 接受日期:2022-11-16 出版日期:2022-12-02 发布日期:2022-11-29
通讯作者: 田阔 E-mail:tiankuo@dlut.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3400245);国家自然科学基金(11902065);中央高校基本科研业务费专项资金（DUT21RC（3）013）

Vibration reduction optimization of complex thin-walled structures based on global POD reduced-order model

Zhao KE¹^,², Yongxin SHI¹, Peng ZHANG³, Kuo TIAN¹(), Bo WANG¹

^1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China
^2.Expace Technology Co. ，Ltd. ，Wuhan 430040，China
^3.Institute of Spacecraft System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China

Received:2022-08-06 Revised:2022-10-20 Accepted:2022-11-16 Online:2022-12-02 Published:2022-11-29
Contact: Kuo TIAN E-mail:tiankuo@dlut.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program(2022YFB3400245);National Natural Science Foundation of China(11902065);Basic Research Funds for Central Universities(DUT21RC（3）013)

摘要/Abstract

摘要：

为了提高航空航天复杂薄壁结构频响分析效率及减振优化效率，提出了一种基于全局POD降阶模型的高效减振优化方法。离线阶段，通过CV-Voronoi序列采样方法增加样本构型，其相比于传统直接采样方法能够自适应确定加点数目，并且全局精度更高，进而结合POD技术进行减缩基矩阵更新，构建面向优化设计空间的全局减缩基矩阵，实现对结构刚度阵、质量阵、阻尼阵的模型降阶，形成全局POD降阶模型。在线阶段，采用全局POD降阶模型替代全阶模型进行快速频响分析以提升分析效率，进而采用基于代理模型的高效全局优化方法开展减振优化设计，进一步提升优化效率。通过开展圆柱壳及S弯曲面加筋壳减振优化算例研究，验证了提出方法具有模型降阶精度高、寻优高效等优势。

关键词: 薄壁结构, 本征正交分解, 减振优化, 全局减缩基, 频响分析

Abstract:

An efficient vibration reduction optimization method based on the global POD reduced-order model is proposed to improve the efficiency of frequency response analysis and vibration reduction optimization for complex thin-walled aerospace structures. In the offline stage， the sample configurations are increased by the CV-Voronoi sequence sampling method， which can adaptively determine the appropriate number of model updating with higher prediction accuracy than the traditional direct sampling method. The reduced basis matrix is updated with the POD method to construct a global reduced basis matrix for the optimized design space， then realizing the order reduction of the structural stiffness matrix， mass matrix， and damping matrix. In the online stage， the reduced-order model is used to replace the full-order model for rapid frequency response analysis to improve the analysis efficiency. Then the efficient global optimization method based on the surrogate model is used to quickly solve the optimized configuration parameters in the design space to further improve the optimization efficiency. The vibration reduction optimization examples of the cylindrical shells and S-shaped curved stiffened shells verify that the proposed method has advantages of high accuracy of the reduced-order model and high efficiency of optimization.

Key words: thin-walled structure, proper orthogonal decomposition, vibration reduction optimization, global reduction basis, frequency response analysis

中图分类号:

V214.4

可钊, 时永鑫, 张鹏, 田阔, 王博. 基于全局POD降阶模型的复杂薄壁结构减振优化[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 227900-227900.

Zhao KE, Yongxin SHI, Peng ZHANG, Kuo TIAN, Bo WANG. Vibration reduction optimization of complex thin-walled structures based on global POD reduced-order model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(13): 227900-227900.

图/表 21

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 1

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 2

图 15

图 16

表 3

图 17

图 18

参考文献 35

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	下限	上限	初始值	优化值
参数	下限	上限	初始值	降阶模型	全阶模型
Sc1/mm	1.00	2.00	1.50	1.00	1.00
Sc2/mm	1.00	2.00	1.50	1.01	1.00
Sc3/mm	1.00	2.00	1.50	1.48	1.47
Sc4/mm	1.00	2.00	1.50	1.99	2.00
Sc5/mm	1.00	2.00	1.50	2.00	2.00
频段能量/dB			1 218.00	637.41	639.21
质量/kg			2.54	2.53	2.54
共振频率/Hz			187.60	246.80	247.00

参数	下限	上限	初始值	优化值
参数	下限	上限	初始值	EGO降阶	EGO全阶	MIGA降阶
S1/mm	1.50	4.50	3.00	1.50	1.50	1.50
S2/mm	1.50	4.50	3.00	4.27	4.46	1.89
S3/mm	1.50	4.50	3.00	4.49	4.29	4.49
S4/mm	1.50	4.50	3.00	2.46	2.67	1.92
S5/mm	1.50	4.50	3.00	4.41	4.33	4.50
T1/mm	1.50	4.50	3.00	1.74	1.51	1.92
T2/mm	1.50	4.50	3.00	2.83	1.81	3.72
T3/mm	1.50	4.50	3.00	2.52	3.06	3.95
T4/mm	1.50	4.50	3.00	3.72	3.36	4.44
T5/mm	1.50	4.50	3.00	3.50	3.68	4.36
Ta/mm	1.50	4.50	3.00	2.50	2.83	3.17
频段能量/dB			1 409.2	298.6	293.3	349.5
质量/kg			657.92	657.63	657.57	637.84
共振频率/Hz			60.1	60.3	60.2	61.1

参数	数值
进化代数	50
岛屿个数	4
岛屿上的个体数	10
变异概率	0.01
交叉概率	1
迁移概率	0.01
迁移间隔	5

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Vibration reduction optimization of complex thin-walled structures based on global POD reduced-order model

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