基于自适应混合代理模型的功能梯度泡沫填充多胞结构的耐撞性优化设计理论研究

Functionally graded foam-filled multicell structure (FGFMS) has good application prospects in the fields of vehicle, train, aerospace and et al. due to its excellent energy absorption capacity. The construction of this structure is more complicated than that of the ordinary foam-filled structure. The crashworthiness of this structure is affected by lots of factors such as the material, size, shape of the multicell structure and the grading pattern, densities of the filled foams and et al. In addition, the contact-impact problem itself involved in the crashworthiness design of this structure is a complicated strong nonlinear problem. Thus, the problems of low numerical accuracy and low numerical efficiency are likely to appear in the crashworthiness optimization design of this structure. Due to these problems, it is difficult to meet the demand of the engineering design. In order to deal with the problem of low numerical accuracy and low numerical efficiency when carrying out the crashworthiness optimization design for the FGFMS with the traditional method, the crashworthiness theory, the dynamic sampling method, the ensemble surrogate modeling method and the multiobjective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm are jointly employed to develop a novel multiobjective crashworthiness optimization design method in this project. Additionally, the related theory and method will be used in the crashworthiness optimization design of a new kind of FGFMS which is proposed by us, in the hope of meeting the stringent requirements of the crashworthiness and lightweight for the buffer mechanism of space lander.

功能梯度泡沫填充多胞结构以其良好的吸能特性在汽车、列车、航空航天等领域具有非常好的应用前景。该结构相对普通泡沫填充结构更为复杂，其耐撞性受多胞结构的材料、尺寸、形状和泡沫的梯度分布规律、密度等多种因素的影响。另外，该结构耐撞性设计所涉及到的接触碰撞问题本身就是一个复杂的强非线性问题。所以，在该结构的耐撞性优化中，通常存在计算精度和计算效率低的问题，难以满足工程设计要求。本项目将结合耐撞性理论、动态采样方法、混合代理模型构建方法和多目标粒子群算法，发展基于自适应混合代理模型的结构耐撞性多目标优化设计方法，以解决采用传统方法对功能梯度泡沫填充多胞结构进行耐撞性优化设计时出现的精度和效率低的问题。此外，相关理论和方法还将应用到我们提出的一类新型功能梯度泡沫填充多胞结构的耐撞性优化设计中，以期满足航天着陆器缓冲机构的耐撞性和轻量化的苛刻要求。

功能梯度泡沫填充多胞结构是一种耐撞性很好的吸能结构，其在实际工程中有很好的应用前景，针对该新型结构进行耐撞性优化设计具有很强的实际意义。然而，该结构构造复杂，耐撞性受多种因素的影响，且该结构的耐撞性设计所涉及的接触碰撞问题本身就是一个强非线性问题，若采用传统的耐撞性优化设计方法来进行优化，容易出现计算效率和精度低的问题，从而导致该结构的耐撞性优化设计难以有效开展。为此，本项目结合耐撞性理论、动态采样方法、混合代理模型构建方法和多目标粒子群算法，发展了基于自适应混合代理模型的结构耐撞性多目标优化设计方法，解决了采用传统方法对功能梯度泡沫填充多胞结构进行耐撞性优化时容易出现的计算精度和计算效率低的问题。项目组紧紧围绕研究目标和要点，按照时间表有计划系统地展开了研究，全面完成项目预定的研究内容，取得的主要研究进展包括：（1）为了提高工程优化设计方法的精度和效率，开发了基于自适应混合代理模型的多目标优化方法；（2）为了提高结构的吸能特性，提出了一些新的泡沫填充结构，并采用非线性有限元方法对这些新型泡沫填充结构进行了耐撞性研究；（3）采用基于自适应混合代理模型的多目标优化设计方法对新型泡沫填充结构进行了耐撞性优化；（4）为了考虑耐撞性优化中设计变量的不确定性，本项目开发了一种基于混合代理模型的稳健性优化设计方法，并采用该方法对吸能结构进行了稳健性优化；（5）基于超折叠单元理论和能量守恒原理推导出了多胞多边形结构的平均压缩力，从而对多胞多边形结构的耐撞性进行了理论研究；（6）采用万能试验机对泡沫填充结构的耐撞性进行了试验研究。本项目的相关理论和方法不仅可应用到功能梯度泡沫填充多胞结构的优化设计中，而且也可应用到其它复杂结构的耐撞性优化设计中，且本项目优化设计后的功能梯度泡沫填充多胞结构有望应用到汽车、列车和航天器等工程领域中。项目执行期间，共发表学术论文10篇，其中SCI论文8篇，ESI高被引论文1篇，参加国际会议和国际交流共2人次，培养研究生共8人。