基于响应面法的V带轮多目标优化设计

在设计V带轮初始阶段引入结构轻量化思想,利用PTC Creo与ANSYS Workbench无缝连接技术建立V带轮的简化三维模型和有限元模型,对其进行静力强度分析和前6阶模态分析。首先运用拓扑优化方法对V带轮进行初步轻量化设计;然后根据拓扑结果对带轮结构优化并二次设计后,以V带轮质量、最大应力、最大变形以及前六阶固有频率为目标函数,对其进行多目标函数的响应面法优化;最终,在满足带轮强度、刚度的前提下,使V带轮质量减小了44.498%,并降低了带轮结构固有频率,避免共振。结果表明:运用响应面法联合拓扑优化方法对V带轮进行优化设计可行且有效,具有较强的工程实用性。     

渐进结构优化在离心机吊篮结构设计中的应用

根据离心机吊篮的最大外形尺寸、连接边界、载荷以及离心机最大加速度值等参数确定了结构拓扑优化的设计区域、载荷条件和边界条件,采用ANSYS软件,以整体质量最小为目标,根据吊篮实际工作载荷和要求施加拓扑优化约束条件,建立吊篮拓扑优化模型,采用基于应力水平删除材料的渐进结构优化方法进行优化设计.优化后吊篮结构满足约束条件,质...     

基于区间因子法的随机-区间模型的拓扑优化设计

利用3σ准则将随机变量近似的转换为区间变量,构建了区间栽荷作用下的区问参数平面连续体结构的拓扑优化设计数学模型.以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元应力非概率可靠性和结构总体积为约束条件,研究随机-区间模型的拓扑优化设计问题.基于区间因子法,导出了单元应力响应的均值和离差的数学计算表达式,并采用双方向渐进结构优化方法进行求解.通过假设确定性模型最优结构拓扑设计方案中的各个参数与随机-区间模型中参数具有相同分散性,对不同模型进行优化.计算结果表明:在相同载荷作用下,确定性模型下的最优解很可能是随机-区间模型下的不可行解.     

车载LNG储罐加强筋结构轻量化技术研究

轻量化是目前车载储罐研究发展的重点方向之一.针对车载储罐外简体角钢加强筋强化结构,通过正交设计和matlab软件对原有角钢结构的短边宽,长边宽和边厚进行了优化分析.同时,对车载LNG储罐整体进行三维建模,对储罐外简体的角钢加强筋的分布进行重新排布.结果表明:影响角钢刚度的主要因素是长边宽,在与原有角钢刚度和质量不变的条件下优化出一种新型角钢加强筋结构,其短边宽为32.65mm,长边宽为100mm,边厚为3.6033 mm.原有角钢的短边宽为35 mm,优化后的结果可以使其降低2.35 mm,这样就可以使外简体减少4.7mm的直径.通过对原有角钢排布进行合理设计,使得加强筋的数量优化后可减少2根,外筒体最大应力为142MPa,角钢最大应力为110MPa,均满足角钢和外简体材料的许用应力,且应力分布比优化前更加合理,更有效的发挥了角钢的结构强化作用.同时,减轻了LNG罐车装备重量,可提高营运效率、降低运输成本.     

基于变密度法的平模台振加强筋布局优化

针对混凝土预制构件水平成型振动台(简称平模台振)振动效果改进的问题,提出了通过优化振动台面加强筋布局来提高其振动效果的方法.基于变密度拓扑优化法,建立以加强筋单元相对密度为设计变量,振动台面柔度最小为目标的优化模型,并进行灵敏度分析,采用最优准则法求解优化模型;根据拓扑优化结果,对振动台面加强筋进行布局优化,获得了合理的振动台面结构.通过仿真对比,优化后的振动台面既提高了结构固有频率、强度和刚度,又实现了结构轻量化,为平模台振的设计提供了指导.     

基于理想点法的液体静压支承系统多目标参数优化设计

利用多学科优化理论,以液体静压支承系统的结构最大位移最小、单元最大Von Misses应力最小为优化目标,以无量纲的材料弹性模量和油膜刚度作为设计变量,利用响应面方法,将满足结构强度和刚度条件的目标函数进行显式化,建立了以结构综合性能指标为目标的单目标优化模型,通过求解获得了提高系统力学性能的参数条件.本文的研究工作对...     

飞机复合材料气密舱门布局和铺层的两级优化设计

针对飞机复合材料气密舱门的轻量化设计,提出了一种两级优化方法。第一级优化方法以结构应变能最小为目标,对横向加强筋的相对位置进行布局优化;在第一级优化结果的基础上,第二级优化方法借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,以舱门强度、刚度和复合材料失效准则为约束条件,进行内外蒙皮、环框和横向加强筋的铺层优化;通过两级之间的迭代,最终得到结构布局和铺层的最优方案。对某个型号飞机舱门的优化结果表明:布局优化后舱门最大位移和最大应力分别降低了22.7%和11.2%,舱门刚度和强度得到了明显的改善;铺层优化后舱门质量降低了7.69%。本文研究为复合材料气密舱门实现结构减重提供了一种有效的方法。     

基于变位移约束的结构材料优化设计

针对质量最小化、位移为约束条件的结构材料优化问题,提出了一种变位移约束的结构材料拓扑优化方法。采用分式有理式识别结构材料单元特性参数,以细观单元拓扑变量倒数为设计变量,结合均匀化方法求出宏观结构单元的等效刚度矩阵以及其对细观单元设计变量的导数,进而得到位移的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,得到了以结构质量作为目标函数、位移作为约束条件的连续体细观结构拓扑优化近似模型;并采用对偶方法进行求解。对几种典型结构,进行了考虑单个和多个位移约束的结构材料优化设计,所得结果验证了本文方法的有效性和可行性。     

基于D-P准则的压力相关材料结构拓扑优化

基于描述材料力学行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则, 研究了压力相关材料连续体结构拓扑优化设计问题的数学模型和数值算法. 以单元材料人工密度为设计变量, 结合SIMP惩罚模型和多孔微结构局部应力插值模型, 建立了以材料体积最小化为目标、考虑材料D-P屈服条件约束的优化问题数学模型. 利用\varepsilon-松弛方法消除奇异解现象, 采用伴随法有效推导约束函数灵敏度计算公式, 运用基于梯度的连续变量优化算法迭代求解优化问题. 数值算例验证了优化模型的正确性及数值算法的有效性, 并通过与von Mises应力约束优化结果的比较, 说明了材料的压力相关特性会对结构最优拓扑产生重要影响. 该方法设计出的最优拓扑由于充分利用了压力相关材料的抗压能力, 因而更为合理和实际.      

基于偶应力模型的连续体结构拓扑优化设计

经典连续介质理论不包含材料尺度参数,因而基于经典理论的结构拓扑优化无法显现尺度效应.本文在偶应力理论的框架下,构造了四节点四边形离散偶应力单元,将传统的SIMP方法推广至偶应力介质.结果表明,在以结构的最大刚度为目标的设计中,偶应力介质的最优结果取决于宏观结构尺寸与材料微结构尺寸(或者特征长度)的比值,最优结果具有明显的尺度效应,具体为,二者比值较大将产生与传统理论相似的结构,而二者比值相当则产生独特的偶应力主导的结构.     

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。     

拉延成形多目标序列响应面法优化设计方法

为了克服常规响应面法在整个设计空间进行逼近导致精度低和传统的单目标优化设计,只能针对其中的一个目标进行优化的缺陷,提出了一种多目标序列响应面法,优化设计拉延筋几何参数的方法. 该方法通过移动、缩放等方式在设计空间中不断更新兴趣域,在不同的兴趣域中将实验设计、响应面法和多目标粒子群优化算法相结合,获得了一组最小化起皱、拉裂缺陷的等效拉延阻力非劣解. 利用最小距离选解法从非劣解集中挑选出一组成形效果最好的解, 并以此解作为下一迭代步兴趣域的中心,直到收敛至一组最优的等效拉延约束阻力. 以最优等效拉延阻力为约束条件,利用等效拉延筋阻力模型结合遗传算法对拉延筋的真实几何参数进行设计. 优化设计的拉延筋几何参数提高了板料的成形性能. 算例表明,该方法具有较高的精度和较强的工程实用性.      

基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。     

TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR GEOMETRIC STABILITY OF STRUCTURES WITH COMPENSATION DISPLACEMENTS

大量工程问题要求结构的局部区域在不同承载工况下保持位移响应的几何稳定性. 在结构的特定区域引入可以随承载工况调节的补偿位移是实现这一目标的有效手段. 在线弹性小变形范围内,通过最小的变形控制成本,研究了多工况下使结构特定位置的位移响应保持几何稳定性的拓扑优化问题. 设计目标为在保持结构位移响应几何稳定性的同时实现结构的最大刚度;优化模型包含两类设计变量:结构拓扑变量及补偿位移变量,两类变量采用分层寻优技术进行耦合. 采用伴随法分别推导了目标函数对两类设计变量的敏度求解格式. 结果表明,该优化模型能够在兼顾成本的同时较好地实现结构的变形控制目标.     

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP (Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。     

多孔压电驻极体材料的孔洞微结构优化研究

多孔压电驻极体是带有分布电荷的孔洞聚合物材料,是一种新型的压电材料.多孔压电驻极体材料的宏观压电性与内部孔洞微结构的构型和分布密切相关.将多孔压电驻极体材料看成含周期微结构的复合材料,采用渐近均匀化理论求解宏观等效系数性质,基于变密度法和拓扑优化方法,利用ANSYS的APDL参数化设计语言编制基于有限元分析的优化程序,给出最优的孔洞微结构拓扑,获得最大压电系数.     

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.      

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

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...     

单侧接触约束下桁架拓扑优化的若干结果

对考虑应力和无摩擦单侧接触位移约束的桁架拓扑优化问题进行了研究,采用解析方法,通过对典型算例不同初始接触间隙下的拓扑优化解的讨论,发现这一优化问题中存在解不唯一现象,研究也表明,接触状态对结构拓扑有一定影响,不同初始接触间隙可能导致不同的拓扑结构,对利用数值方法该问题进行了研究,为克服结构拓扑优化中奇异最优解问题,采用ε松弛方法建立桁架拓扑优化模型列式,并利用双层优化方法求解本拓扑优化问题,第一层,通过求解与原接触问题等价的二次规划问题来进行结构接触分析;第二层,利用第一层得到的位移及应力,采用ε-松弛方法进行结构拓扑优化。