塔式小车变幅起重臂的结构优化设计

本文提出一种既能为设计工程师所接受、无需初设方案,又经济可靠的结构优化设计方法。它的主要特点:一、按工程要求提出的超吊重量函数、超重臂长度、横截面形状及其他附加荷载等设计参数,由准则优化给出最佳吊点位置、塔帽高度及起重臂内力,并由此给出起重臂整体截面几何性质和最危险工况下的初始统计变量;二、自动由初设方案进行有限元结构分析的数学规划法优化。其中包括单元节点自动生成、形状优化和行之有效的SUMT技术及性态模型法的优化计算;三、全部计算可在IBM-PC微机上一次完成,整个优化设计过程输入量少。输出参数完整,能满足设计要求。 计算结果表明,QTZ200自升塔50米起重臂比原设计重量减轻41％。     

微型机网格自动生成和显示软件MESHG

划分有限元网格、计算节点坐标、准备单元编号及节点坐标等原始数据是有限元计算中工作量很大的一部分。本软件旨在极大地减轻这一类劳动,给有限元计算人员带来方便。 本软件利用用户提供的少量描写结构形状的原始数据,自动生成有限元分析所需网格,自动计算节点坐标、形成单元编号及近似优序编排节点号。可自动划分网格的结构有:(1)二维平面或轴对称问题;(2)板和空间壳体;(3)三维块体;结构可以在直角坐标系、球坐标系、柱(极)坐标系中描写;生成的单元类型有三点、四点及八点等参元(平面情形),八     

频率约束板结构拓扑优化

本文利用ICM（独立、连续、映射）方法建立了频率约束下平板结构重量最轻的拓扑优化模型。采用指数函数作为单元重量、单元质量及单元刚度的过滤函数。通过瑞利商对刚度过滤函数倒变量的泰勒一阶展式,将频率约束近似显式化。利用对偶理论将含有大量设计变量的约束优化模型转化为易于求解的少设计变量拟无约束优化模型,通过序列二次规划将转化模型进行求解,提高了求解的效率。本文选择MSC.Patran&Nastran软件及PCL二次开发语言构架了平板结构频率约束拓扑优化问题的软件。数值算例表明：本文的方法具有迭代稳定性和收敛高效性。     

结构形状优化设计数值方法的研究和应用

本文论述了连续体结构形状优化设计数值方法的研究和应用进展,讨论了结构模型化、灵敏度分析、优化方法改进、优化实用软件开发以及同CAD技术相结合等问题,介绍了在结构优化设计软件MCADS中采用的方法,并通过工程实例说明了结构形状优化设计的应用及其价值。     

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.      

虚拟层合单元在平面梁和拱形状优化中的应用

本文在虚拟层合单元的基础上,为适应形状优化时边界变化的特点,构造了曲线分层的虚拟层合梁单元,这样,求解优化问题时仅把特定的层厚作为设计变量,无须改变原始数据结构,有限元网格只在优化初始生成一次即可,具有单元数少、设计变量少的优点,算例表明此法计算简便,结果可靠,具有良好的工程应用前景。     

板壳结构的应力约束拓扑优化设计

应用ICM 方法求解应力约束板壳结构拓扑优化问题,建立了寻求应力约束下结构重量极小化,每个设计变量控制多个单元的板壳结构拓扑优化近似显式的ICM 模型. 依据畸变能理论,将应力约束转化为畸变能约束,减少了约束数目. 采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解. 以MSC.Patran 及MSC.Nastran 软件作为二次开发平台,应用PCL 语言实现本文算法. 算例对于设计变量数等于单元数时的情况进行了计算,表明该方法有效可行.     

基于径向基函数的机翼二维气动代理模型设计

采用多学科设计优化方法进行机翼气动/结构优化时,结构学科的优化需要气动学科提供机翼压力分布的代理模型。本文引入了等参单元形函数的几何变换思想,利用径向基函数,解决了复杂形状机翼的二维气动代理模型的构造问题,进行了某巡航导弹弹翼考虑结构变形的气动力代理模型的构建。算例结果表明,本文所用代理模型构造方法简单易行,预测结果的精度很好。     

基于显式几何更新算法的地下管道自动形状优化

基于计算力学中的结构优化思想,应用一种新型的显式几何更新算法,自行编制C++程序,实现地下管道形状设计的自动优化。管道内的流体假设为牛顿不可压缩流,并考虑惯性项。优化区域主要为管道竖直方向和水平方向的过渡段。形状优化的设计变量是几何边界的有限元节点坐标,优化目标是实现流体黏性能耗散的最小化。优化过程基于形状梯度,即通过形状敏感度分析来求解目标函数相对于设计变量的偏导数。所使用的显式几何更新算法既可以通过网格清晰描述形状,也可以大范围地自动更新网格。详细介绍了地下管道自动形状优化过程的关键步骤。通过数值算例探讨了不同注入速度、密度和黏度对其最优形状的影响。     

基于应力分析的桁架结构双向拓扑优化方法

结构拓扑优化问题的研究多是采用基结构的思路,通过删除在设计区域内的不必要单元来得到结构的最优拓扑构型。本文探索了一种增加单元与删除单元相结合的双向拓扑优化方法,采用了网格与杆件两类单元对桁架进行分析:在高应力杆件单元周围生成新网格单元,并且删除低应力的杆单元,结构逐渐进化,从而得到优化的拓扑构型。文章最后通过数值算例,表明该方法是可行的。     

Integrated Topology and Shape Optimization in Structural Design∗

ABSTRACT

Structural optimization procedures usually start from a given design topology and vary proportions or boundary shapes to achieve optimality under various constraints. This article presents an approach for initiating formal structural optimization at an earlier stage, where the design topology is rigorously generated in addition to selecting shape and size dimensions. A three-phase design process is discussed. An optimal initial topology is created by a homogenization method as a gray level image. This topology is then transformed to a realizable design using computer vision techniques, parameterized, and treated in detail by size and shape optimization. A fully automated process is described for trusses. Examples for two-dimensional solid structures are also discussed.     

基于物理的变形曲线在结构形状优化中的应用

用各向异性模型定义NURBS曲线的变形能,基于所提出的变形能模型,用有限元法对NURBS曲线表达的设计边界进行模态计算,然后,将设计边界用模态向量的线性组合参数化表示。将这种基于边界特征向量的几何形状表示方法应用于优化参数定义．提出了一种适用于结构形状优化的自适应几何精化方法,它有效地将户型有限元分析、优化方法和设计边界的形状表达集成在一起。     

空间太阳望远镜主构架的力学分析与优化

基干航天器结构设计的特殊性,用有限元软件MSC．NASTRAN对空间太阳望远镜主构架进行了力学分析。根据敏度分析方法和优化计算要求,建立了满足结构频率和振型条件、追求重量最轻的优化模型。结合工程优化的特点,提出多种拓扑结构方案,并对主构架进行了拓扑型式比较与选优、形状优化和尺寸优化,最后对多变量优化设计的初值问题进行了探讨。经优化计算及工程处理,使主构架的总重量减少了36％,力学校验和热分析表明优化结构满足整星设计要求。     

基于可视化的工程结构优化设计

提出并进行了基于科学可视化的工程结构优化设计,内容主要包括建模可视化与过程可视化两部分。建模可视化中论述了基于OLE自动化技术的对象可视化与优化模型可视化。优化过程可视化中,则讨论了跟踪可视化、驾驭可视化及模型特征可视化等内容。通过可视化、使优化建模过程与求解过程比过去变得透明、易于干预了,从而在一定程度上提高了优化效率与优化质量。作者研制与开发了相应的软件VBSOPTI．1并将其应用于几个典型例子,结果说明方法是可行的、有效的。     

基于性能的拱形抗滑桩墙支护结构体系优化设计的思考

以提供明确性能的滑坡锚碇拱形抗滑桩墙支护结构体系全局优化设计方案为目的,利用先进的基于性能的结构优化设计理念、计算机信息处理技术和智能决策技术,研究锚碇拱形抗滑桩墙支护结构的空间合理布置对结构体系受力的影响、锚碇拱形抗滑桩墙支护结构体系的数值计算方法和优化模型,探索锚碇拱形抗滑桩墙支护结构体系失效损失的评估方法和评估模型,开发基于性能的锚碇拱形抗滑桩墙支护结构体系全局优化设计软件,为滑坡治理提供明确的安全、经济、性能等参数的全局最优支护方案。对解决当前滑坡治理方案中受力体系的选择与布置、工程治理中的资源浪费和财产损失及延长使用等问题具有积极作用,是滑坡治理方面一项既有理论意义又极具应用前景的工作。     

悬式绝缘子的形状优化

本文将带自适应运动极限的序列线性规划法应用于悬式绝缘子瓷头的形状优化问题中。建立了优化的数学模型;给出了相应的算法;分析了优化计算的结果;为悬式绝缘子的形状优化设计提供了可行的有效手段。     

渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现, 进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实际工程优化设计问题的能力,以及其通过现有成熟建模界面广泛应用于日常建筑和机械结构设计的可行性.      

薄板结构的边界元优化设计

完成了一种用边界元法对弹性薄板结构进行优化设计的计算机分析及彩色绘图系统.本文论述了平板弯曲问题的边界元法及其优化设计.系统采用本文作者提出的三方程协调方案,并精确计算分布荷载的域内积分.本文完成了多个平板弯曲问题的边界元分析算例及板结构边界元优化设计的工程算例.结果表明,本系统方法先进、结果精确可靠,具有十分明显的工程实用价值.     

基于断面形状优化的地铁车轮减振降噪研究

以降低地铁车辆在运行中产生的轮轨接触噪声为目的,将结构动力优化方法运用于地铁车轮断面外形设计,建立了地铁车轮振动噪声最优化设计的数学模型,编制了相应的算法程序.以我国某地铁车轮为例,给出了以车轮断面外形几何参数为设计变量、车轮结构振动辐射噪声值最小为目标函数的优化计算实例,得到了车轮断面外形几何参数在可行域内的最优解.结果表明,该优化设计方法是成功的,可以有效地降低车轮因振动而产生的噪声.     

菱形开孔剪切钢板阻尼器的形状优化研究

矩形钢板阻尼器在剪力作用下耗能腹板各处受力不均匀,部分区域率先进入塑性而破坏,造成材料浪费甚至阻尼器延性欠佳。为使剪切钢板阻尼器充分发挥材料性能,可将矩形腹板开菱形孔,形成中部菱形孔钢板阻尼器,或两端去除半菱形,形成X型钢板阻尼器。然而,孔洞最优形状鲜有研究,而形状优化方法也很少提及。为了使菱形开孔剪切钢板阻尼器达到更好的滞回性能,对中部菱形孔和X型两种腹板开孔形式的阻尼器进行形状优化。在与试验结果验证的基础上,基于ABAQUS软件平台建立有限元分析模型,利用PYTHON语言开发了一种脚本优化方法,并与软件优化模块对比,分析优化前后的塑性分布和滞回耗能。结果表明,优化后最大塑性应变减小,塑性分布更均匀,利用脚本方法优化后的滞回曲线更饱满,耗能更好,为菱形开孔剪切型阻尼器的设计和优化提供了参考。