固体力学有限元体系的结构拓扑变化理论

本文是文[1]的继续.文[1]提出了杆件系统的结构拓扑变化理论和拓扑变化法本文将这一理论和方法推进到连续体有限元体系;且在此基础上揭示出有限元体系的一个新性质,称为基本位移之梯度的正交性定理,从而给出一套设计敏度的显式表达式,可直接用于计算.     

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下, 采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性, 即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.      

温度变化对钢结构动力学响应的影响分析

为了研究钢材料结构在同时受到压力和温度作用时的结构响应,利用热-力耦合结构动力学有限元程序,对不同物性参数随温度变化时的钢结构进行了动力学响应计算,并进行了对比分析.数值模拟结果表明,钢结构受到的应力会随着温度的变化而变化,温度较高时的结构响应计算需要考虑温度的影响,尤其是塑性硬化模型等参数变化时,结构响应会有较大的影响.     

基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计

利用高精度通用单胞模型将复合材料的细观拓扑结构与宏观力学性能结合起来,采用遗传算法对复合材料的细观结构进行优化,发展了基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计方法.以材料的宏观力学性能为优化目标,从随机的初始细观结构出发,对复合材料纤维体积百分比进行约束,经过迭代获得满足设计要求的代表性体积单元.在优化过程中,对遗传算法的交叉过程作了较大的改进,实现了复合材料细观拓扑结构的任意变化,提高了对可行域的搜索效率.分别以极限剪切模量和泊松比为优化目标,验证了所提出优化方法的正确性和有效性.     

太空环境压力变化对液浮陀螺性能的影响分析

对太空气压变化影响液浮陀螺性能的机理进行了理论分析,然后利用有限元分析法对陀螺仪在压力变化时浮子产生的变形进行了计算.明确了压力变化对陀螺仪结构件变形的影响程度,并从几个对陀螺仪漂移产生影响的主要方面进行了深度分析,得知压力变化导致浮子的结构变形是陀螺仪性能变化的主要因素,其中框架的变形引起的陀螺漂移达0.3((°)·h-1),g.最后通过对某型陀螺仪进行压力变化试验,验证了分析结果的正确性.此外还对陀螺仪进行了封闭波纹管的实验.得出结论:采用相对厚实的结构,刚度较大、稳定性好的材料可大大提高陀螺仪对环境的适应性,另外还可以给陀螺仪装上对外界环境的密封隔离装置.     

结构拓扑变化理论中主Z值单调性定理与计算特征值的新方法

该文是文（１）～（３）的继续，主要讨论两个内容，其一是论证胸力体系的结构拓扑变化理论中的主Ｚ值具有定的定值域，这一重要性质保障着用拓扑变化法进行了分析的可靠性，称为之主Ｚ值的定值域定理，其二是引入一个新概念，质量基元，从而把动力体系也纳入拓扑变化理论，且证明动力体系中主Ｚ值对于模数变化呈单调性，称为主Ｚ值的单调性定理，作为它的应用。该方法提出了一套计算特征值的新方法，称为Ｚ变形法，新方法的主要特点     

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用.为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP (Solid Isotropic Materi-al with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法.基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值.同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应.采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元.利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题.利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析.最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解.     

热弹性结构的拓扑优化设计

针对热弹性连续体拓扑优化存在的中间密度问题,以骨架式结构为研究出发点,分析了热、力耦合场作用下的结构拓扑构型设计,对比了SIMP和RAMP两种材料惩罚模型对消除中间密度值的应用效果,阐述了在相同惩罚模型下,拓扑优化解对热、力两类载荷相对大小的依赖性. 在此基础上,提出以不同惩罚模型应对两类载荷的处理方法,通过骨架式结构和连续体结构数值算例,验证了该方法的可行性和有效性.      

基于位移和应力灵敏度的结构拓扑优化设计

针对仅有应力约束以及含位移和应力约束的重量最小结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种结构拓扑优化方法. 在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,通过形成和引进新的位移和应力约束限, 自动构建设计变量移动限.将结构应力约束归并为几个最可能的有效应力约束,大大减少了应力灵敏度的分析量. 另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略. 为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元,构建了其等效的优化模型. 结合位移和应力灵敏度分析,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法. 给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.      

结构拓扑优化研究方法综述

结构拓扑优化研究方法目前有解析方法和数值方法两大类.首先介绍了解析方法中的 Michell理论,它在结构拓扑优化领域研究较早,影响最为深远.随后着重讨论了杆系和连 续体结构拓扑优化的数值方法.杆系结构常采用基结构方法,通过删除部分杆件达到结构 拓扑优化的目的.连续体结构一般要划分为有限单元,通过删除单元形成带孔的连续体, 以实现拓扑优化.介绍了连续体结构拓扑优化常采用的材料模型:各向同性、各向异性和 带微结构材料.并对连续体结构(0-1)拓扑优化中的数值计算不稳定问题的机理进行了分 析,给出了解决方法.此外,对应力约束问题存在解的奇异性现象也作了简要介绍.最后, 对数值方法中的主要数学求解方法进行了简单介绍.     

一种变位移约束限的结构拓扑优化方法

针对仅有位移约束和重量最小的结构拓扑优化问题, 基于ICM(独立、连续、映射)方法思路,提出了一种变位移约束限的结构拓扑优化方法. 在每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量, 形成和引进了新的位移约束限. 另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略. 为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元,并建立了一套有效结构信息到结构最大设计域信息的映射转换方法. 结合对偶求解方法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法. 给出的算例表明该方法没有目标函数的振荡现象,且验证了该方法的正确性和有效性. 关键词:拓扑优化; 位移约束; 连续体结构; ICM方法; 渐进结构优化;      

多子域模式重复结构多目标拓扑优化

将多子域模式重复方法引入到基于变密度法的传热以及力热一体化拓扑优化中.基本思想是将全域划分为多个大小相等的单胞,将设计变量定义在其中多个单胞上,并通过全等映射复制到其他单胞.引入了连续变化的密度过滤方法,以解决棋盘格问题和边界模糊问题.分别以散热弱度和局部温度作为目标函数,对传热结构进行了优化设计;引入多目标设计公式,对力热一体化结构进行了优化设计,均得到了清晰的模式重复结构.比较发现,多子域模式重复优化效果虽然不如全域设计,但要优于单域模式重复设计,而且继承了模式重复模块化特征显著和综合性能更均衡的优点.此外,单域和多子域模式重复结构均有更强的抗缺陷能力.     

连续体结构的拓扑优化设计

对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述. 利用密度-刚度插值格式和优化准则方法, 以结构的柔度最小化作为优化的目标函数, 论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式; 基于数学规划方法中的一种凸规划方法----移动渐近线方法和密度方法, 以结构的频率最大化作为优化的目标函数, 论述并建立了特征值问题拓扑优化设计的数学模型和设计变量隐式的更新方法. 对多目标拓扑优化问题、柔性机构的拓扑优化问题以及多物理场拓扑优化设计问题进行了讨论. 对优化结构中出现的棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行剖析和讨论, 介绍和分析了目前解决数值计算问题常见的方法, 在此基础上对边界扩散现象进行了讨论. 给出了连续体结构拓扑优化设计的程序流程, 并用Matlab程序实现了算法, 通过几个典型的算例证明所综述方法的有效性.      

强迫谐振动下连续体结构拓扑优化

应用结构拓扑优化ICM(独立连续映射)方法,对强迫谐振动下结构拓扑优化问题建立了以重量极小为目标,位移幅值为约束的优化模型.位移幅值采用一阶泰勒展式近似,由于拓扑优化中设计变量数目通常很多,对强迫谐振动位移幅值的敏度分析推导了伴随法公式,使得一次敏度分析可以计算出对所有设计变量的偏导数,克服了采用直接法敏度分析中一次只能计算出对一个设计变量的偏导数的不足.算例表明用伴随法分析敏度在结构拓扑优化中可以大幅提高计算效率,ICM方法采用独立于截面及形状参数的拓扑优化设计变量更清晰地反映了拓扑优化的本质.     

载荷作用位置不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

研究当外载荷作用位置不确定时, 连续体结构动态稳健性拓扑优化设计. 在减小结构对简谐激励动响应的同时, 有效降低其对外载荷作用点随机扰动的敏感性. 首先基于非概率凸模型的方法, 将外激励作用位置的不确定性用有界区间变量表示. 其次通过对加载位置的导数分析, 获得了在激励位置扰动情况下结构动柔顺度的二阶泰勒展开式. 基于变密度方法, 推导出了动柔顺度对拓扑设计变量的一阶灵敏度显性表达式. 最后在材料体积约束下, 采用移动渐近优化算法并结合载荷扰动区间内灵敏度的最大绝对值, 对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计, 并与传统载荷位置固定条件下的确定性优化结果进行对比, 充分展示考虑外激励作用位置扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响. 数值优化结果表明, 采用文中提出的方法所获得的结构动响应的稳健性更高, 能有效抵抗外激励作用位置的随机扰动. 只要少许增大材料的体积, 稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.      

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

拓扑优化在变压器吊耳设计中的应用

将拓扑优化中的ICM(独立、连续、映射)方法引入到变压器吊耳设计中; 推导了吊耳孔边缘载荷的分布公式,并依据两种吊耳结构的有限元分析与拓扑优化结果,提 出了两种新的结构设计方案. 数值试验结果表明, 改进后的新结构能够满足强度、刚度的要 求,同时减轻了重量.     

惯性载荷作用下结构拓扑优化

针对惯性载荷作用下的结构拓扑优化设计问题,基于结构整体柔顺度的灵敏度计算公式的推导,阐述了此类问题目标函数的非单调特征;根据载荷与单元刚度的设计相关性,分析了多种材料插值模型对优化结果和迭代过程的影响. 在此基础上,提出可变参数的RAMP模型,对不等式体积约束和纯自重作用下的拓扑优化问题,通过稳定的优化迭代过程得到逼近理论最优解的优化结果. 理论分析和数值算例表明,设计相关惯性载荷导致结构柔顺度的灵敏度不再永远为负值,即柔顺度不再是单调减函数;惯性载荷作用下拓扑优化结果并不总是达到体积约束上限,即材料用量越多结构刚度未必越大;已有的ESO和MP类优化方法的优化结果存在明显的区别,而选择适当的材料插值模型能够很好的将两类优化方法的结果统一起来.      

重载操作机钳臂结构多工况拓扑优化设计

钳臂是重载操作机夹持机构的重要组成部分,其力学性能和疲劳性能直接影响着操作机的正常使用功能.本文针对重载锻压操作机钳臂结构进行了典型工况下的力学性能分析,在此基础上对钳臂结构进行了多工况拓扑优化,给出了材料布局以及力的最优传递路径,并进一步进行尺寸优化.结果表明,优化后的钳臂结构在保持良好力学性能的同时,减少了材料用量...     

基于自适应泡泡法的薄壳结构拓扑优化设计

为有效解决薄壳结构拓扑优化设计难题,并满足其对分析模型精度和优化结果质量的高要求,结合等几何壳体分析方法提出一种基于自适应泡泡法的新型拓扑优化设计框架.等几何分析技术在薄壳分析方面具有天然的优势:一方面可为薄壳结构建立起精确的NURBS分析模型,避免了模型转换操作及误差;另一方面还可保证待分析物理场的高阶连续性,无需设置转角自由度等.为了在给定壳面上实现结构的拓扑演化,借助NURBS曲面(即等几何分析中的薄壳中面)的映射关系,仅需在规则的二维参数区域内改变结构拓扑即可.鉴于此,采用自适应泡泡法在壳面参数区域内开展拓扑优化,该方法包含孔洞建模、孔洞引入和固定网格分析3个模块,其在当前工作中分别基于闭合B样条、拓扑导数理论和有限胞元法实现.其中,闭合B样条兼具参数和隐式两种表达形式,参数形式便于在CAD系统中直接生成精确的结构模型;隐式形式不仅便于开展孔洞的融合/分离操作,还能与有限胞元法有机结合以替代繁琐的修剪曲面分析方法.理论分析和数值算例表明,所提优化设计框架将复杂的薄壳结构拓扑优化问题转化为简单的二维结构拓扑优化问题,在保证足够分析精度的基础上使用相对很少的设计变量就可得到具有清晰...