复杂结构优化选型的计算方法

本文为复杂结构优化选型提供了一个比较实用的计算方法:根据原有结构型式和设计经验来建立优化选型计算模型;对目标函数和约束条件作数学上近似处理后,利用Kuhn-Tucker条件和Lagrange乘子,把选型问题转化为求解典型二次规划问题;引进加权因子和利用改进后的变尺度法使计算过程简化、可靠,而且精度较高.     

多功能结构拓扑形态优化数值方法

对建筑结构设计的多功能要求,以平面问题为研究对象,对改进进化论方法进行了功能上的改进,增强了方法对复杂空间条件的适应性,提高了计算效率和所生成结构体的质量。针对建筑对空间的限制,将方法的允许空间拓展为自由边界允许空间,并引进临时允许空间的概念;针对结构功能需求,研究了能够适应支座改变、荷载组合等多工况情况的合理结构形态创构方法;考虑到材料的受力特性,研究了相应（如指定构件纯受压或纯受拉）的结构拓扑形态优化方法。文中还通过算例分析了方法的特点,探讨了方法所得到结构形态的一些力学特性。该方法所得结构为以均匀拉压应力形式来抵抗荷载,其形式可为结构概念设计提供参考。     

连续体结构的拓扑与形状集成优化算法

以连续体结构的拓扑与形状优化设计技术作为研究对象,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助设计有机地集成在一起,构建了优化设计模型;研究了用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,进行边界光滑处理;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立了边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法及模型更新理论,有效地控制节点的运动,给出了相应的算法和计算表达式,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布尽快使形状变为最佳。设计实例的结果表明了本文所建立的模型的合理性和方法的有效性。     

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

考虑均一微结构的结构/材料两级协同优化

以结构最小柔顺性为目标,提出了考虑均一微结构的结构/材料两级协同优化方法。出于制造考虑,假设了材料微结构在宏观上具有相同的构形。为实现拓扑优化,本方法在两个尺度上独立定义了单元密度作为设计变量,分别引入了SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)和PAMP(Porous Anisotropic Material with Penalization)方法对密度进行惩罚,并且采用了周长约束控制微结构拓扑的复杂度。借助均匀化方法建立了结构和材料之间的联系,从而将两个尺度上的设计纳入到一个优化模型中,实现了协同求解。数值算例验证了本方法的有效性和正确性,讨论了各参数的影响,优化结果体现了类桁架材料的优越性。     

海洋平台的冰力谱与冰振响应分析

利用原型结构的直接冰力测量数据,建立了锥体结构的冰力谱模型.利用渤海辽东湾的JZ20-2MUQ平台对锥体冰力谱模型进行了验证.为了降低误差,在结构模型分析中,利用实测平台振动数据确定了平台的综合阻尼系数.利用谱分析方法计算了不同冰厚与冰速下的结构甲板振动响应,并与实测的结果进行了比较.结果表明,计算与实测的结构振动响应吻合的比较好,说明了建立的冰力谱模型具有实用性.     

海洋平台碰撞和损伤分析的进展

本文详细综述了平台结构的碰撞和损伤分析.十儿年来,在这一领域内提出了许多有用的概念和切实可行的分析方法.文中介绍了分析碰撞和损伤的各种方法,并介绍和比较了钢质平台的能量吸收模型.      

考虑自重载荷作用的连续体结构拓扑优化

针对自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中常遇到的柔顺度随单元密度变化的非单调性、非有效的材料体积约束和材料低密度区出现的``附属'效应等主要困难,提出了RAMP材料插值模型和平均敏度过滤技术相结合的求解策略,并采用MMA方法进行了优化求解. 研究了惩罚因子的选择对最优拓扑以及材料体积约束的影响. 结果表明,合理增大RAMP材料模型中惩罚因子(例如取值达到20.0), 可使材料体积约束达到有效约束. 此外,通过与Sigmund提出的敏度过滤技术比较表明,当引入平均敏度过滤技术时,结果0/1化程度较Sigmund的敏度技术高,可获得清晰的黑白拓扑.      

考虑界面力学性能的组件及结构的协同优化

包含多个内嵌功能组件及支撑结构的多组件结构因其轻量化、多功能等优良特性被广泛应用于航空航天等领域.已有的多组件结构拓扑优化研究大多基于理想界面假设,忽略了材料连接界面可能发生的破坏. 本文针对包含多个内嵌式功能性组件的结构,考虑连接界面的力学性能, 对组件的形状、布局及支撑材料的拓扑进行协同优化,以实现多组件结构的优良承载性能. 首先,基于超椭圆模型对内嵌组件的形状及布局进行显式的参数化描述,并构造其水平集函数表达; 进而,结合组件及支撑材料的水平集拓扑描述、内聚力模型及扩展有限元方法(extended finite element method, XFEM), 在固定网格下对随优化迭代不断演化的结构拓扑及连接界面的力学性能进行准确描述;进一步, 建立水平集法框架下考虑界面力学性能的多组件结构拓扑优化列式,基于伴随变量法推导解析的灵敏度并采用梯度优化算法求解优化问题.本文采用该优化框架分别对内嵌组件的悬臂梁和MBB梁进行协同优化, 在优化过程中,发现组件的初始布局对最终设计有很大的影响, 并且可能导致不良结构.为了避免此情况, 本文提出了两个阶段的优化策略,即首先对组件布局和形状进行优化, 再进行结构和内嵌组件的协同优化.数值结果显示, 在优化结果中功能性组件及界面通常分布于结构受压应力作用的区域,且连接界面最优形状呈现为曲率较小的光滑曲线,该设计避免界面发生拉伸及剪切破坏, 有效提高了结构的承载力,同时也表明了本文所提出考虑连接界面力学性能拓扑优化方法的有效性.      

海洋柔性立管防弯器结构非线性刚度拓扑优化

防弯器是海洋柔性立管过弯保护的关键附件, 对提高立管的结构安全性具有重要意义. 目前, 防弯器结构设计主要采用尺寸优化方法. 然而, 与拓扑优化方法相比, 该方法能提供的设计空间有限, 其在提高防弯器的力学性能, 以及探索防弯器创新构型方面具有很大不足. 本文在Dirichlet边界条件下, 以最大化弯曲刚度为目标, 对同时考虑材料和几何非线性的防弯器结构拓扑优化方法进行研究. 通过引入Helmholtz-PDE过滤和Heaviside惩罚, 以克服优化中出现的棋盘格现象和灰度单元等数值不稳定性问题. 与此同时, 研究引入了对称算子, 以提高往复性载荷作用下防弯器结构的承载能力和可制造性, 并且采用伴随法对优化问题的灵敏度进行了推导. 此外, 为了提高结构分析和优化的效率, 研究还基于PETSc库建立了并行程序框架. 数值算例中, 在材料体分比相同的情况下, 对防弯器结构分别进行了2D和3D非线性拓扑优化, 并对两种优化结果的承载能力进行了对比. 数值算例结果表明, 相比于防弯器2D拓扑优化结果, 在大部分波浪载荷方向下, 3D拓扑优化所给出的防弯器设计方案具有更为优越的结构性能. 本文所建立的3D非线性拓扑优化技术, 为深水恶劣海况下的高性能防弯器结构设计提供了新的理论模型和实现技术.      

海上平台结构疲劳与疲劳可靠性分析程序设计

本文介绍了作者开发的适用于固定式导管架海上平台结构系统疲劳与疲劳可靠性分析程序系统的设计原理、结构及功能特点。最后，以一固定式导管架平台作为算例验证了程序系统的可靠性与实用性。     

考虑非概率可靠性的结构柔顺度拓扑优化设计

实际工程中广泛存在的不确定性可能对结构拓扑设计产生重要影响。基于不确定性的多椭球凸模型描述及非概率可靠性指标的定义,建立了材料体积约束和不确定参数范围约束下、结构柔顺度极小极大化为目标的非概率可靠性拓扑优化数学模型。结合移动渐进线方法,基于单循环策略实现该连续Minimax优化问题的求解。经典算例尺寸优化设计结果说明了...     

一种考虑瞬态效应的散热结构导热路径设计的拓扑优化模型

实际工程中,热载荷多数具有短时和周期性特点,瞬态效应显著。目前的散热结构导热路径设计多基于稳态热传导模型,未考虑瞬态效应。本文提出了一种以区域温度控制函数作为设计目标的瞬态热传导问题的拓扑优化模型,能够实现在整个时间历程上特定区域内最高温度最小。使用伴随变量法,推导了目标函数关于设计变量的敏度计算格式。算例表明,基于本文优化模型获得的散热路径设计与基于稳态热传导模型的结果有明显差别,具有更优的散热性能。因此,时变热荷载下的散热结构构型设计需要考虑瞬态响应的影响。     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...     

车身结构中焊点布置的分区拓扑优化设计方法研究

焊点布置的设计对于车身结构的强度、刚度、NVH特性和耐撞性等都有重要影响。针对一种紧凑型两厢轿车,分别以车身结构的刚度和低频固有振动特性为设计目标,对车身结构中的焊点布置进行了优化设计。通过对优化设计结果的理论分析和工程评价,对相关的优化设计问题定义的有效性和优化设计方法的适用性进行了分析。基于相关分析结论和车身结构设计经验,提出了一种新的车身结构焊点布置的分区拓扑优化设计方法,通过将车身划分为多个功能设计区域,可以采用分级优化设计的方法综合考虑车身结构的刚度和动态特性、耐撞性以及强度等多方面的性能要求。通过对一个实际轿车车身结构中焊点布置的重新优化设计,验证了提出的优化设计方法的有效性,同时表明该车身的现有焊点布置方案已接近最优设计。     

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。     

考虑压电驱动元件布局的作动器拓扑优化设计

工程中常需要设计各种各样的作动器以满足一定的驱动要求。本文采用拓扑优化的方法设计以压电材料为驱动的作动器。通过拓扑描述方法和RAMP（Rational Approximation of Material Properties）材料插值模型相结合的建模方式,建立了压电驱动元件布局与柔性机构构型协同设计的优化模型;以电压的...     

应力约束下预应力平面实体钢结构拓扑优化设计

对预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题进行研究,建立了以索力值、单元尺寸和结构拓扑为设计变量,以应力为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以满应力设计准则法建立索力值与结构重量之间的优化模型,通过该模型的求解确定索力值,并通过满应力设计选取单元尺寸,然后对单元体厚度按闻值进行分类,从而删除低厚度单元实现结构的拓扑优化.算例结果与预应力钢结构理论相吻合,表明本文所提出的方法是有效的,可为预应力钢结构体系创新提供理论方法.     

狭长结构拓扑优化

通常的拓扑优化是在给定区域内,通过设计材料分布实现结构拓扑形式优化。对于设计区域的长和宽相近的平面问题,现行的方法可得到清晰的拓扑。但是,狭长结构的设计域具有大的长宽比。为了保证基结构包含足够多的拓扑形式,宽度方向要求有一定量的有限元分割,从而导致整体网格数和设计变量多、问题求解困难。本文提出了通过基本结构拼装的狭长结构拓扑优化方法,建立了以最小平均柔顺性密度为目标、同时设计材料分布和设计域几何尺度的基本结构的拓扑优化问题的数学提法和求解方法。利用所提出的问题提法和求解方法,设计了狭长悬臂梁的拓扑形式,讨论了危险截面的弯矩与剪力的相对值以及材料体积约束对拓扑形式的影响。数值结果表明,不同的弯矩与剪力的相对数值对应不同的拓扑形式,随着相对数值的增加,梁的拓扑形式由类桁架结构逐渐变成竖直立板加强的框架式结构。