浅谈结构拓扑优化设计

本文讨论了拓扑优化的一般概念,连续体结构拓扑优化的均匀化方法和进化方法及其相关理论。     

基于ANSYS分析的拱坝体型优化

根据拱坝体形的几何特征,基于ANSYS软件的参数化设计语言(APDL),将零阶近似方法和随机搜索法结合起来对单圆心变厚度双曲拱坝进行了优化设计.计算结果表明,该优化方法求解效率高,优化后的坝体应力分布更均匀,优化效果明显.     

混凝土高拱坝孔口三维非线性分析

采用有限元方法中的子模型技术,对混凝土高拱坝的1^#底孔进行了三维非线性分析,研究了孔口在坝体自重、库水压力和温度作用下混凝土开裂和裂缝发展情况,以及配筋对孔口开裂的影响。研究表明,采用子模型法不仅大大降低了网格剖面的难度,而且减少了三维非线性分析的计算时间。     

数控插齿机床身三维拓扑优化研究

以数控插齿机床身的整体柔度最小为优化目标,以三维有限单元的相对密度为设计变量,构建了基于固体各向同性材料插值方法的三维结构拓扑优化数学模型,并采用优化准则法进行设计变量的迭代更新,通过在载荷作用下床身结构的拓扑优化设计,得到了床身材料在设计域内的最优分布．根据最优分布重构床身几何模型,通过比较原结构模型和重构结构模型的静力学分析结果,验证了文中方法的正确性和有效性．     

基于均匀化理论的拓扑优化算法研究

在研究均匀化理论和拓扑优化理论基础上，推导了复合材料的均匀化求解方程，并将均匀化理论应用于拓扑优化中，推导了基于均匀化理论的二维拓扑优化求解算法。     

基于模糊理论的高拱坝体型多目标优化设计

综合考虑静力荷载作用下双曲拱坝的经济性与安全性,采用坝体体积作为经济目标函数,坝体最大主拉应力作为拱坝局部区域的安全目标函数,整体应变能作为拱坝整体安全目标函数,建立高拱坝体型的三目标优化设计模型.根据模糊数学理论,计算海明距离、贴近度和关联度,对这些指标进行加权建立模糊评价函数.以某拟建拱坝为例进行了优化设计,结果表明,模糊优化体型在多个目标函数上改善效果较明显:体积方量减少了25.03万m3,占总体积量的3.63%;最大主拉应力小了0.70MPa,降低6.05%;应变能下降了0.082GJ,下降2.20%.     

三维连续体结构拓扑优化设计数值技术初探

本文分析讨论了三维连续体结构拓扑优化模型,给出了典型结构拓扑优化算例,对结果进行了数值分析。重点对两种常用求解算法的快慢进行比较,并追寻其原因,为提高求解效率指明方向。     

拱圈拓扑优化及结果合理性研究

为验证拱圈拓扑优化的可行性和合理性,根据拱坝水平拱圈的特点,采用拓扑优化均匀化算法对某拱坝不同坝高处的水平拱圈进行结构优化计算,利用滤波法和多重网格法解决了在拱圈拓扑优化过程中出现的数值不稳定问题.对优化得到的下游面带有反弯段的结构进行不同的下游面曲线拟合,应力校核结果表明:拓扑优化得到的拱圈不仅是可行的,并且比传统形状的拱圈更为合理.     

受应力约束的三维弹性体的拓扑优化

提出一种受应力约束的三维弹性体的拓扑优化方法:修改的满应力法,即通过反复迭代修改单元的弹性模量,使三维弹性体的每个单元均处于一种满应力的状态,然后删除弹性模量较低的单元,通过逐渐删除弹性模量较低的单元使单元最大弹性模量逐渐接近于材料实际的弹性模量,同时单元的最大应力也逐渐接近于材料的许可应力,从而获得满足应力约束条件的三维弹性体的最优拓扑.同时引入结构描述数组的概念,很方便地实现单元的重新划分.数值结果显示该方法很有效,且具有很好的通用性和稳健性.     

结合拓扑分析进行平面连续体拓扑优化

避免目前平面连续体结构拓扑化过程中经常出现的单元铰接以及“棋盘格”等现象,研究了边疆体结构拓扑优化过程的拓扑分析方法,以及在计算机上实现的简便算法,根据代数拓扑理论,单元及连续体的边 作为1－复形进行运算,利用图论中的邻接向量概念,在计算机上实现了结构的拓扑描述及在扑运算,得到了结构在拓扑演化过程吵的拓扑特性,方法简单,可靠,在一定的拓扑约束下,根据应力分析结果,采用删除单元,单元退化,移动节点等方法,可以用较少单元得到更为满意的结果,提高计算效率,为演示方法的有效性,给出几个包括常见经典问题的解答。     

结构拓扑优化方法在拱式渡槽拱轴线设计中的应用

针对拱式渡槽拱轴线的受力特点,建立拱轴线拓扑优化模型,并将结构拓扑优化方法生成的拱式渡槽拱轴线与相同矢跨值的圆弧拱轴线和二次抛物线拱轴线进行了对比.结果表明,由结构拓扑优化方法生成的拱轴线,自重作用下的弯矩值以及相同均布荷载作用下的应力值都比相同矢跨值的圆弧拱轴线和二次抛物线拱轴线小.这说明连续体结构拓扑优化方法可应用于作用荷载相对均匀的拱式渡槽拱轴线设计.     

基于博弈理论的拱坝体形多目标优化设计

以坝体体积、最大主应力、高应力区范围为目标函数,建立了拱坝体形多目标优化模型.根据多目标优化设计问题与经济学中博弈问题之间的相似性,将多目标优化中的各分目标函数看成博弈方,所有可行解就是博弈策略集,从而提出了拱坝体形多目标优化设计问题的合作博弈方法.白鹤滩拱坝体形优化设计结果表明,该方法比传统的多目标优化方法(如线性加权法和理想点法)更能综合反映各优化目标的要求,优化结果更加合理,并具有较高的计算效率.     

有限单元法在高拱坝坝肩动力稳定分析中的应用

利用有限元法及三维实体任意截面数据处理技术,建立了高拱坝坝肩稳定安全系数计算分析方法,并编制了相应的计算和处理程序。通过对某高拱坝动力稳定性的分析计算,给出了拱坝坝肩在3个典型高程分别沿两滑移面交线方向、侧滑面及底滑面滑动的最小安全系数。     

拓扑优化中两类不同优化数值算法的研究

分析了适用于拓扑优化计算中的两种不同优化数值算法,推导了基于材料密度方法的优化准则法公式和移动渐进优化算法的求解公式．将两类算法分别应用于求解拓扑优化问题,给定了拓扑优化中两类算法的不同适用范围．     

带缝重力拱坝安全监控指标拟定方法探讨

安全监控指标是实施大坝安全监控的依据，对保证大坝安全运行具有重要意义．本文联系大坝强度、抗裂和稳定等条件，对带缝重力拱坝监控指标拟定方法进行讨论；重点对典型监测量小概率法进行详细论述；结合陈村重力拱坝原型观测资料拟定监控指标，进而推求出大坝运行控制水位，为大坝安全运行提供了依据．     

不同库水模型对高拱坝动力特性的影响

给出了3种模型及不同情况下高拱坝动力特性的数值求解方案,并结合实际工程分析了不同库水模型对高拱坝动力特性所产生的影响.计算和分析结果表明:不同库水模型对坝体的自振频率、振型参与系数和振型等动力特性的影响程度相差较大;可压缩库水模型最能真实地反映库水的特性和库水对坝体动力特性的影响,可采用可压缩库水模型来求解高拱坝的动力特性.     

防止高拱坝坝踵开裂和屈服的工程措施研究

对防止高拱坝坝踵开裂和屈服的两种常用工程措施周边缝和底缝进行研究．研究中坝体混凝土、缝和坝基材料采用不同的非线性材料模型．结合292m高的小湾拱坝对设缝前后的坝体位移场、应力场、开裂区和屈服区进行分析研究,重点讨论设缝对坝体屈服和开裂的影响．对小湾拱坝的研究结果表明：(a)未设缝时,在坝基附近的垫座内出现较大范围的开裂和屈服;设置周边缝时,垫座内的开裂和屈服明显减少;设置底缝时,坝踵附近的开裂和屈服明显减少,但在设缝两侧,尤其是两侧缝端附近,垫座内的屈服现象比无缝情况时更严重．(b)小湾拱坝设周边缝的效果要优于设底缝,设缝范围可限制在缝面开裂的范围内．     

拓扑优化均匀化方法的改进迭代算法

针对大型连续体结构拓扑优化中迭代步过多、计算时间过长的问题,对拓扑优化均匀化方法进行了改进,并通过引入的2个密度阈值来控制计算过程.算例表明,采用改进的拓扑优化均匀化方法可有效减少迭代步数、节省计算时间,且不会影响拓扑优化计算结果.