应用类桁架模型的连续体拓扑优化方法

为了避免棋盘格、单元铰接等数值不稳定现象,研究了基于类桁架模型的连续体拓扑优化方法.将单元节点处材料密度的大小和方向作为设计变量,采用满应力优化准则对材料密度大小进行优化.为了形成带孔洞的匀质连续体,对设计变量增加了上下限约束,剔除密度低于一定下限的节点,限制节点密度.算例结果表明:不需要进一步处理,就能从类桁架连续体中获得清晰的带孔板.     

用三角形单元建立拓扑优化类桁架连续体

为克服用矩形单元划分不规则区域的困难,使得结点和单元的分布可控性好,采用三角形常应变单元建立拓扑优化的类桁架连续体.以杆件在结点位置的方向和密度作为设计变量,采用优化准则法进行优化.在迭代过程中,将杆件的方向调整到主应力方向,根据主应力方向的应变调整杆件的密度.通过对单元进行局部加密,能够明显改善杆件汇交点处的拓扑优化结果.算例表明,方法是合理的、有效的.     

基于类桁架连续体的柔性机构拓扑优化设计

以各向异性类桁架连续体为材料模型,以材料在结点位置的密度和主轴方向作为设计变量.结点在指定方向的位移为目标函数,根据有限元分析得到的应力应变场,采用优化准则法优化材料分布形成类桁架连续体.在微机电系统中可直接用各向同性材料,还可通过引入微小间隙使各向同性材料具有方向性.因材料在设计域内是连续分布的,不需要抑制中间密度,避免了其他拓扑优化方法中普遍存在的棋盘格现象、网格依赖性以及局部极值等数值不稳定问题.提供几个算例,并和已有结果进行比较,说明了此方法的有效性.     

桁架结构拓扑及截面尺寸优化设计方法

为克服传统基结构设计方法对最优解的束缚,实现桁架结构的拓扑布局及尺寸优化,提出了将连续体与离散杆系相结合的桁架结构优化设计方法。从连续体出发,基于SKO连续体拓扑优化方法得到了最优拓扑布局;以二值图像细化算法为基础,提出了基于有限单元8邻域网格模型的骨架提取算法,通过剥离冗余单元,得到了连续体拓扑优化结果的中心传力骨架;以单元主应力为判据,精确找到骨架中的关键点,并连接关键点形成了初始桁架结构;基于拉格朗日乘数法和KuhnTucker条件,以初始桁架中杆件的内外半径为设计变量,结构体积为约束条件,结构柔度为目标函数,建立了桁架结构杆件尺寸优化的数学模型,并推导出其优化迭代准则。最后,以一悬臂结构为例对该优化方法的应用进行了说明,并使用一经典算例与其他文献中的方法进行了对比,结果表明:该优化方法得到的桁架结构具有优化的拓扑构型和力学特性,杆件布局、尺寸合理,应力均匀。     

位移最小化的抗风柱的拓扑优化设计

通过对抗风柱的分析,得出抗风柱的拓扑优化模型.分析抗风柱在不同长细比时的处理方法,即在抗风柱的长细比较大的时候可以采取将柱分段,将每段划分有限元网格,进行有限元分析.每一段的处理方法和最终结果是相同的.优化基结构采用各向异性类桁架连续体材料模型,以材料在结点位置的密度和主方向为设计变量,结点在指定方向的位移为目标函数.采用优化准则法,借助有限元分析,优化材料分布场形成类桁架连续体,得到抗风柱的优化结果.     

多工况应力约束下连续体结构拓扑优化映射变换解法

针对多工况连续体结构拓扑优化常见模型中存在的目标函数非连续性 ,基于独立连续拓扑变量概念及映射变换方法 ,建立了多工况应力约束下连续体结构拓扑优化新的连续模型 .考虑多工况结构拓扑优化中“荷载病态”现象 ,提出应用荷载加权系数的单元删除准则及分层优化算法求解 .算例验证了本文方法的正确性和高效性     

多工况应力约束下的连续体结构拓扑优化映射变换解法

针对多工况连续体结构拓扑优化常见模型中存在的目标函数非连续性,基于独立连续拓扑变量概念及映射变换方法,建立了多工况应力约束下连续体结构拓扑优化新的连续模型,考虑多工况结构拓扑优化中“荷载病态”现象,提出应用荷载加权系数的单元删除准则及分层优化算法求解,算例验证了本文方法的正确性和高效性。     

应力约束下桁架结构拓扑优化的静定基法

对于从基结构出发的单工况应力约束下使桁架结构重量最轻的最优拓扑,必定是静定结构;对于多工况应力约束下桁架结构的最优拓扑大多数是静定结构。而对于超静定结构的求解,目前的方法多是转化为静定的基本结构来求解。由此,本文提出一种求解桁架拓扑优化问题的新分析方法——静定基法,给出了静定基法的基本思想和求解策略,用解析方法求解了单工况应力约束下的桁架拓扑优化问题,研究了多工况应力约束下最优拓扑为静定结构的桁架结构,给出了优化问题的精确解。算例表明了该方法的有效性和可行性。     

塔式起重机臂架周期性拓扑优化设计

为实现塔式起重机臂架桁架结构腹杆的布局优化,提出了基于连续体拓扑优化的桁架结构优化设计方法.首先去除起重臂腹杆,用腹板代替,同时为克服臂架细长难以进行拓扑优化的特点,将起重臂划分为若干个优化周期,建立臂架的周期性板梁优化模型;然后使用周期性SKO(soft kill option)方法对腹板进行连续体拓扑优化,优化中使用温度过滤函数消除棋盘格式现象,得到优化的腹板拓扑构型;最后使用有限单元8-邻域网格模型骨架提取算法得到腹板拓扑的中心骨架进而得到优化的腹杆布局.选取QTZ63塔式起重机最大幅度、最大起重量和最大应力3种典型工况作为优化工况,并考虑起升动载荷、风载荷及惯性载荷进行优化设计.基于3种典型工况,从强度、刚度、稳定性方面对原臂架和优化臂架进行了对比分析,验证了优化方法的有效性.     

骨架组合结构材料选择优化层合部件法

提出用于金属一复合材料骨架组合结构减振优化设计的层合部件法（1aminatecomponentmethod,LCM）。定义骨架结构中待设计杆件和梁为层合部件,杆件在有限元模型中必须用由待选材料构成的层合梁单元或层合板单元模拟,以避免弯曲振动模态丢失。结合结构拓扑优化SIMP（sotidisotropicmierostrueturewithpenaltymethod）法,建立了钢一复合材料组合骨架结构材料选择、拓扑与尺寸优化的综合数学模型,实现材料选择与拓扑优化设计变量的连续化。以桁架结构质量为目标函数,振级落差、加速度、位移和应力等为约束条件,给出金属一复合材料组合桁架结构减振优化设计实例。优化结果表明,LCM用于金属一复合材料组合骨架选材优化设计是可行的。     

类桁架结构的多工况应力约束拓扑优化设计

以纤维结点处的密度和方向作为设计变量,迭代过程中将纤维方向调整到主应力方向,有效地避免单元铰接和棋盘格现象.采用三角形单元进行有限元的分析,克服矩形单元对不规则区域划分单元的局限性.采用各向异性材料模型模拟类桁架杆系结构,优化结果用纤维密度连线表示,与实际的杆系结构具有十分相似的对应关系,便于制造.通过典型的算例,证明该方法的有效性和准确性.     

多工况及动态连续体结构拓扑优化中的工程约束技术

在对经典算例研究的基础上,引入一种工程约束技术来改善多工况和动态连续体结构拓扑优化结果的合理性,该方法是在半径过滤法的基础上增加工程约束条件. 数值结果表明,利用工程约束控制技术能很好地解决拓扑优化中结果的合理性及可设计性问题,拓扑优化下的结构材料分布具有明显的一致性特征.      

采用类桁架优化方法研究大跨桥梁的构形

采用类桁架拓扑优化方法研究大跨桥梁的选型.通过求解应力约束体积最小类桁架结构拓扑优化问题,得到不同跨高比下桥梁结构的拓扑构形,验证了桥梁构形与跨高比有关.典型算例结果表明:文中方法在大跨桥梁选型中可以节约成本、提高结构性能和缩短设计周期.     

复杂应力构件多荷载工况下的配筋优化

遗传演化结构优化算法自提出以来,研究主要针对单荷载工况的情形,研究成果对于指导实际工程设计存在缺陷.为了满足工程应用的需求,本文以ANSYS有限元软件的非线性分析为平台,选用solid65单元和link10单元分别模拟混凝土单元和钢筋单元,将分离式模型遗传演化结构优化推广到复杂应力构件多荷载工况下的配筋优化.通过选用开洞深梁和开洞剪力墙作为数值算例以验证,分离式模型遗传演化结构优化可以综合考虑多个荷载工况的影响,减少人为因素的干扰,直观地计算出钢筋配置方案,很好地完成复杂应力构件在多荷载工况下的配筋优化设计,所得的结果符合受力机理,且不会使钢筋过度集中,还因为提高了钢筋的利用效率,所以相比弹性应力设计方法节省了用钢量.     

偶应力介质结构的最优强度拓扑优化

在等应变能密度分布的意义下给出了偶应力介质结构最优强度的拓扑优化设计方法。优化模型的设计变量为单元的密度,约束函数为许用材料的体积用量,目标函数通过等应变能密度准则隐式地给出。该方法的优点在于将强度约束/目标的显式应力形式进行转化,避免了应力函数优化问题中的奇异性、强非线性及约束的局部性等困难。数值算例表明,基于优化模型,偶应力介质的最优结果依赖于结构的最小局部尺寸与偶应力介质特征长度的比值。当宏观结构的尺寸远大于特征长度时,偶应力介质的结果趋于经典连续介质的相应结果。