基于Ordered SIMP插值模型的 点阵-实体复合结构拓扑优化设计方法

为了提高点阵材料结构件的力学性能,提出了一种基于Ordered SIMP方法的点阵-实体复合结构拓扑优化方法.采用一种三维X型微结构单元作为点阵材料,通过数值拟合建立点阵材料相对密度与其等效物理属性之间的函数关系.在宏观结构拓扑优化问题中,以点阵材料等效密度为设计变量,基于Ordered SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的多材料插值模型,进而,以材料体积用量为约束,以结构柔度最小化为目标实现点阵-实体复合结构的多尺度拓扑优化设计.通过数值算例和实验测试表明,相比于仅使用点阵材料填充的设计,本方法能够获得更好的结构刚度.     

基于参数化水平集法的约束阻尼结构动力学拓扑优化

约束阻尼(CLD)结构拓扑优化是轻量化设计下实现振动与噪声控制的有效手段。结合约束阻尼结构的有限元模型,以前两阶模态损耗因子及其加权最大化为目标函数,以参数化水平集函数的扩展系数为设计变量,以约束阻尼材料用量为约束条件,建立了基于参数化水平集法(PLSM)的拓扑优化模型。基于伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,采用优化准则法更新设计变量。算例结果表明:基于参数化水平集法对约束层阻尼结构进行拓扑优化是可行有效的,且以基板结构应变能分布构建初始构型可提高优化效率。此外进一步讨论了在附加质量保持不变的条件下,约束层材料和阻尼材料厚度变化对约束阻尼材料模态损耗因子和最优构型的影响规律。     

基于RKPM梁固有频率及薄板柔度的拓扑优化

以节点相对密度为设计变量,以固有频率最大为目标函数,通过修正低密度区质量矩阵建立了基于重构核粒子法(RKPM)的结构动力拓扑优化数学模型.采用罚函数法施加本质边界条件,利用直接微分法推导了结构固有频率灵敏度方程,同时研究了受横向载荷弯曲的基尔霍夫薄板柔度最小的拓扑优化问题.最后对比分析了节点依赖性以及设计变量对最优拓扑结构的影响,并结合以上算法和优化准则法编写程序完成了2个拓扑优化算例.优化结果表明:所建立的模型不仅能有效抑制局部模态和重特征频率的出现,而且因通过重构核近似提高了计算点密度场的连续性,棋盘格现象得以消除,可以得到清晰光滑的拓扑边界.     

约束阻尼结构拓扑优化设计的进化算法

约束阻尼结构的阻尼材料优化布局是约束阻尼结构振动控制设计中的关键问题,它直接影响到振动能量耗散与全局能量流分布。在约束阻尼结构设计中引入拓扑优化渐进优化算法,以约束阻尼胞单元为设计变量,建立以模态阻尼比为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。分析结构模态阻尼比相对于阻尼胞单元位置的敏度,导出灵敏度计算表达式。提出基于渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态阻尼比达到最大化,给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化方法的正确性和有效性。     

连续体结构拓扑优化设计的ICM方法

基于独立连续拓扑变量及映射变换（ＩＣＭ）的拓扑优化方法应用于连续体结构,建立了统一的以重量为目标、考虑应力约束的连续体结构拓扑优化模型．提出基于综合评价的高效单元删除准则及算法．给出的经典的二维和三维连续体结构拓扑优化算例表明,这种统一的模型由骨架结构发展到连续体结构的拓扑优化也是成功的．该方法具有算法简单、收敛速度快和稳定性好等优点     

位移约束下预应力钢结构拓扑优化设计

为预应力钢结构体系创新进行拓扑优化设计研究.建立了以索力值和结构拓扑为设计变量,以位移为约束条件,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,采用两阶段设计方法.首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在索上的预拉力,然后通过灵敏度分析,采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低位移灵敏度单元实现结构的拓扑优化以减轻结构重量,反复迭代,直至最优.算例结果与相应体系受力性能相吻合,表明本文所提出的优化设计方法可行,为预应力钢结构选型提供了理论依据.     

几何非线性连续体结构拓扑优化仿生方法

利用基于Wolff法则的仿生方法对几何非线性、线弹性连续体进行拓扑优化.该仿生方法中引入构造张量作为设计变量用于描述设计域内各点处材料微结构的几何特征及其宏观弹性本构.同时,引入参考应变区间并结合Wolff法则用于确定结构中某点处材料的更新方案.考查了结构最优拓扑的网格依赖性以及参考应变区间对结构的最优拓扑及材料分布的影响.数值算例表明,结构的最优拓扑无网格依赖性.几何非线性线弹性连续体结构的最优拓扑明显地依赖于参考应变区间的选取.如果参考应变区间长度为零且荷载为指定位移时,按同比例改变荷载及参考应变区间上确界,可得到相近的最优拓扑和材料的分布.     

整体式柔性机构的结构拓扑优化设计

基于变密度法和优化准则法,推导并建立了柔性机构的结构拓扑优化设计的设计变量迭代格式．以机构的机械增益为优化的目标函数,利用连续体的结构拓扑优化技术建立了的柔性机构设计的数学模型．通过人工弹簧模型和虚拟载荷法描述柔性机构设计的目标函数,采用伴随敏度分析法进行了敏度分析．以柔性夹钳作为设计实例,证明了所研究方法的有效性,用快速成型技术验证了柔性机构概念设计阶段的合理性．     

塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计

为实现塔式起重机臂架布局和尺寸的优化,提出了桁架结构拓扑及尺寸两阶段优化设计方法.第一阶段先建立臂架的周期性板梁拓扑优化模型,使用周期性SKO方法对腹板进行连续体拓扑优化,得到优化的腹板拓扑构型,并通过提取主应力路径将优化的腹板拓扑结构转化为离散的腹杆布局;第二阶段以臂架腹杆截面半径为设计变量,臂架柔度为目标函数,材料体积为约束条件建立优化模型,基于Lagrange乘子法和库恩塔克条件推导腹杆截面尺寸优化迭代准则,基于欧拉公式推导了腹杆稳定性约束条件以保证尺寸优化过程中臂架稳定性.数值分析结果表明,该优化方法能有效地减轻臂架结构质量,提高臂架的刚度,减少变形并降低结构应力水平.     

基于类桁架材料模型优化方法计算稳定性研究

推导了2相正交类桁架材料模型,建立了基于类桁架连续体材料模型的单工况和多工况应力约束拓扑优化方法.以杆件在结点位置的密度和方向为设计变量,在单工况下,采用满应力准则法优化杆件密度,将杆件方向与主应力方向对齐;在多工况下,采用方向刚度包络线拟合的方法,由各单工况优化结构导出.通过反复迭代形成类桁架连续体材料优化分布场,进而形成类桁架结构.通过3个经典算例,验证了不同有限单元网格密度和形状下该拓扑优化方法的稳定性,克服了各种拓扑优化普遍存在的单元依赖性.     

增强热塑料管电熔接头有限元静力分析和结构优化

在ANSYS系统中建立40G150P/A×2型增强热塑料管电熔接头有限元分析模型,利用ANSYS提供的复合材料分析方法和参数化建模语言,考虑了材料的非线性、接触等问题,建立增强热塑料管电熔接头静力学分析模型,利用计算结果对构件的强度和刚度进行判断,分析了结构的薄弱环节,并根据分析结果通过对管体复合材料叠层结构的优化,实现对结构的优化。     

具有固支边的功能梯度压电矩形板静力解

从三维弹性理论和压电学理论出发,通过假设满足边界条件的位移函数,推导出具有固支边的功能梯度压电板的状态方程,并运用状态变量法以及层间连续条件,在每一层端点处应用配点法,给出了满足周边和上、下表面所有边界条件的解析解。该文将状态变量法运用在具有固支边的功能梯度压电材料的静力问题上,给出了不同梯度分布压电板在具有固支边界条件下的静力解,讨论了梯度变化函数对挠度和应力场的影响,为功能梯度压电结构设计及材料优化提供一定参考依据。     

平台架构概念设计阶段车身结构优化方法

针对平台架构概念设计阶段的车身结构优化问题,创造性地提出一种新的方法,包含3个阶段：第1阶段为考虑真实碰撞载荷,利用多模型优化法（MMO）进行综合工况下的车身全局拓扑优化,解读不同的传力路径;第2阶段为考虑平台架构高低姿态车型,利用SFE CONCEPT软件建立不同传力路径下的车身参数化模型,进行不同动力下的结构对比分析及优化,确定车身传力路径形式;第3阶段为基于近似模型法的车身截面优化和基于等效静态载荷（ESL）法的车身料厚优化,并将优化方案代入高低姿态车型,在不同动力类型下进行验证及优化,保证车身结构处于平台架构目标性能带宽下。在某车企的平台架构概念设计阶段,利用该方法对车身结构进行了优化,验证了该方法的工程可实施性。     

基于XGBoost-PSO的混凝土重力坝体型多目标优化设计

为解决重力坝优化设计以截面尺寸作为唯一设计变量,缺乏考虑材料属性对重力坝优化设计影响的问题,综合经济、抗震安全进行重力坝多目标优化设计方法研究,构建了综合经济、抗震安全指标的多因素评价体系;采用ABAQUS软件对重力坝进行有限元静动力分析,基于计算结果采用变权功效系数法进行量化评价;采用XGBoost-PSO算法进行寻优得到最终优化方案。实例验证结果表明：多目标优化方案与初始方案相比,在经济、抗震安全指标上都得到了明显改善;相比传统单目标优化模式,经济、安全多目标优化更适用于抗震安全要求高的重力坝工程。     

冲击载荷下结构拓扑优化设计与动态响应分析

为解决结构动态冲击载荷拓扑优化计算过程复杂、计算效率低,而且难以收敛等问题,建立了一种在冲击载荷下结构的拓扑优化方法. 将双向渐进结构拓扑优化方法和等效静力载荷优化方法相结合,同时将权值法和材料插值模型引入其中. 采用内外双层循环的方式实现了冲击载荷下单相材料和双相复合材料/结构的拓扑优化. 通过两个算例验证了方法的可行性与高效性,并且对优化后的结构进行动态响应分析,分析结果表明与传统方法相比,采用新方法优化得到的结构,在冲击载荷下承载能力更好,说明该方法适用于冲击载荷下结构的拓扑优化设计,且优化流程简洁,计算效率高,优化平稳高效.      

液压阀用电磁铁CAT系统的开发

以液压阀用电磁铁试验台计算机辅助测试（CAT）系统的开发实践为基础,着重分析了测试软件在实现数据采集与处理、曲线输出功能等方面的程序设计方法和思路,在分析CAT软件设计共性（数据采集卡编程与数据预处理等等）的同时,阐述了针对电磁铁这一特定CAT对象所采取的测试方法。CAT技术的引入与传统的“试验台 函数记录仪”测试模式相比较,在便捷性及提高测试精度方面均具有突出的优点,从而可以高效精确地反映电磁铁的静特性。     

整体叶盘磨抛机床叶片型面磨头结构拓扑优化设计

针对航空发动机整体叶盘磨抛机床叶片型面砂带磨头结构的轻量化设计目标,对磨头支撑板开展变密度法拓扑优化设计.在完成磨头静动态分析的基础上,进行了变密度法拓扑优化理论分析.以磨头支撑板最优材料分布为基础,对磨头结构开展轻量化布局以及尺寸优化,获得了最终的磨头结构设计参数.结果表明,优化后磨头质量总体来说相比原始结构减轻了8.74%,并在动静力学性能方面获得了较为理想的提升,较好地实现了磨头结构减重优化设计目标.     

基于改进正交试验设计的飞行轨道参数优化

采用微分进化算法改进了标准正交设计的均匀性.运用标准正交设计法和改进的正交设计法优化亚轨道飞行器再入段轨道参数.在相同的样本容量下,标准正交设计得到了估计误差满足要求的回归模型,而改进的正交设计得到的回归模型的估计误差有了进一步减小.采用复形调优法对两个回归模型进行寻优计算,两模型所得最优解均满足精度要求,而改进正交设计所得模型的优化效果更好.改进正交设计法进一步增强了抽样效率,是适用于轨道参数优化的重要方法.     

基于能量原理的等效静态载荷法及其在活塞动态优化中的应用

针对位移等效静态载荷法在求解结构动态优化时遇到的等效关键时间点不合理、等效结果误差大等问题,提出一种基于能量原理的等效静态载荷法.该方法通过将结构动态响应解空间进行谱元离散,识别出结构的关键时间点,并在该时间点构建了基于能量等效的动态载荷静态转化数学模型.应用优化算法搜索得到了等效静态载荷集的最优解,从而将结构动态优化问题转化为静态优化问题求解.最后,通过在某柴油机活塞油腔结构的动态优化设计中的有效应用,验证了能量等效静态载荷法的有效性和工程实用性,拓展了等效静态载荷法的理论范畴,同时为复杂结构动态响应优化设计提供了一种新的思路.