考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型，在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题，采用材料属性有理近似模型（Rational Approximation of Material Properties，RAMP）来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系，利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明：RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰，灰度单元更少，在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大，且高模量密度比能够显著提升结构刚度.     

基于可靠性的结构动态拓扑优化方法

实际工程结构设计往往在确定性范畴内进行,所得结构存在较大失效可能性.基于此,提出一种基于可靠性的连续体动态拓扑优化方法,将结构可靠性分析方法嵌套到连续体拓扑优化中.考虑了结构几何尺寸和材料体积的不确定性,并用高斯分布来度量.将结构可靠度作为约束嵌套到连续体拓扑优化中,属于二次嵌套优化问题,但计算效率低下,不适于工程应用.提出一种解耦策略将结构可靠性分析从连续体拓扑优化中解耦出来,使结构可靠性分析与动态拓扑优化为两个独立的优化循环,大大提高了计算效率.建立以结构基频最大为优化目标,满足一定体积约束和可靠度要求的优化问题,利用各向同性材料惩罚模型(SIMP)和移动渐进方法(MMA)求解该优化问题.所提方法可以得到满足不同可靠度要求的一系列最优结构,并用标准算例验证其有效性.     

基于等效静态载荷理论的机床运动部件轻量化设计

为保证机床的加工精度和切削效率,机床的运动部件需要较高的刚度和较轻的质量.以某型号磨床的主轴箱为研究对象,建立包含主轴箱、电主轴磨头和滚珠丝杠等部件的有限元柔性多体动力学模型,运用等效静态载荷理论将柔性多体动力学分析与静态结构优化理论相结合,采用拓扑优化技术对主轴箱进行轻量化设计.与传统静态载荷下的主轴箱结构拓扑优化设计相比,该方法更适用于机床运动部件的结构轻量化设计,优化后的主轴箱结构在保证静动态性能的前提下质量减轻8.5%.     

考虑材料非线性的结构拓扑优化研究综述

结构拓扑优化作为结构设计的重要组成部分,正变得越来越重要.目前国内外学者对结构拓扑优化的研究仍主要局限于材料的线性变形范围,但实际许多工程结构都会产生材料非线性响应,如设计在一定地震载荷下坏而不倒的房屋结构,此时要得到更加符合实际的拓扑构型,就需要考虑材料非线性进行结构拓扑优化设计.笔者对材料非纯属结构拓扑优化研究进行了综述,并提出了展望.     

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．     

面向独立任务的星型网格拓扑结构优化

文中以星型网格应用环境中独立任务周期性调度的研究成果为基础,通过分析网格平台分别处于非饱和态、临界态以及冗余态时的性质,提出了拓扑结构优化方法——静态优化与动态优化,给出了一种星型网格计算能力与资源利用率的度量方法;在静态优化方面,解决网格拓扑结构最优化的判断问题,给出组建最优化星型网格的方法;在动态优化方面,研究了网格拓扑结构动态变化时节点的准入策略;还根据网格计算能力与动态负载的匹配情况,提出了网格拓扑结构动态优化算法.最后给出了网格平台的扩展策略.     

基于自适应网格的结构拓扑优化

研究了基于自适应网格技术的结构拓扑优化.采用有限元离散设计域,单元节点密度作为设计变量.优化迭代过程中,根据设计域密度场信息对结构网格进行自适应加密和稀疏,使得材料分布边界处的网格加密,远离材料边界处的网格稀疏.同时,优化设计变量空间也随着网格的变化而变化.给出了拓扑优化中网格自适应加密和稀疏的准则,以及网格变化时结构密度场更新算法.算例结果表明提出的拓扑优化策略可以减少结构分析和优化求解的计算量,在同等结构分析和优化求解计算量下能够得到更好的拓扑结果.     

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.     

敏度分层过滤策略克服连续体拓扑优化荷载病态问题

针对工程结构中所承受载荷幅值之间相差多个数量级,使用传统拓扑优化方法所得结果中较小载荷传递路径消失的荷载病态现象,提出一种简单有效的敏度分层过滤策略.将各载荷以幅值大小进行分层,并计算各载荷对结构对应的应变能数值.在此基础上,引入比较判断系数和放大应变能影响系数,将各灵敏度以大小进行分层,对不同层次灵敏度进行不同的过滤以取得多载荷作用下最佳材料布局.本文敏度分层过滤策略是在Solid Isotropic Material with Penahiation(SIMP)框架下提出的,并使用Optimality Criteria(OC)方法进行求解.使用二维和三维算例验证了所提策略的有效性,表明该策略可以有效克服荷载病态现象,为结构设计中得到完整传力结构布局提供重要指导.     

基于可靠性的柔顺微夹持机构几何非线性拓扑优化

为减少因制造过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象,文中给出了一种基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计方法.首先,建立增量形式的平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应.其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型.目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求;可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算;目标函数灵敏度分析采用伴随求解技术;拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解.最后,以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例进行研究,发现基于可靠性的拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理,说明文中所提方法是正确和有效的.     

精密仪器承载板的多尺度轻量化设计

针对过载下航空零件精密仪器承载板的结构轻量化和力学性能提升的需求，融合拓扑优化和点阵优化的优点，以结构最小柔顺度为约束、质量最小化为目标，提出了一种拓扑优化与点阵优化相结合的多尺度轻量化设计方法，并对关键参数格栅结构、格栅填充比和体积约束设计了三因素三水平正交实验，在保证安全性能的前提下使优化件达到质量最轻。结果表明，多尺度轻量化后的仪器承载板的质量减轻了85.2%,过载下的变形降低了29.07%,结构的动力学性能得到提升。在拓扑优化基础上再采用格栅结构填充的多尺度优化设计方法可降低优化件的质量，为航空领域中承载板类零件的轻量化设计提供了参考。     

基于有限元的天平校准系统基座结构优化设计

在Solidworks环境下建立三维模型,运用有限元软件对基座结构进行动、静态性能分析,得到初始模型的性能参数.以最小质量为目标函数,以刚度、应力和频率为约束条件,建立数学模型.提出一种基于渐进结构优化法的拓扑优化方法,引入过滤函数来解决拓扑优化过程中容易出现的数值不稳定、数值分布呈棋盘模式的现象,保证计算结果的准确性.对拓扑优化后的模型重新分析计算后发现,其性能依然优异,基频提升26.7%,质量减少5.8%.     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

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。     

张骥《关学宗传》的学术史意义

为了提高拓扑优化在实际工程应用中的速度,将一种基于拓扑灵敏度的拓扑优化算法与免组装有限元法结合,对汽车悬架控制臂进行多工况拓扑优化.该方法使用一致的体素单元划分网格,用压缩共轭梯度法(DCG)加速有限元的求解,得到结构的应力和应变场,从而获得拓扑灵敏度场,用来控制结构拓扑变化.通过添加多工况优化以及加工约束功能,使该方法更符合工程应用的要求.通过对比,该方法和商用软件能够获得性能接近、形状相似的优化结构,而整个优化过程的速度有显著提高.     

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。     

考虑抗震性能的低层轻钢密柱框架支撑拓扑优化

提出了一种新思路,用于得到抗震性能优良的带支撑框架。首先,对低层轻钢框架进行非线性动力时程分析,通过对结构的最大地震效应进行静力等效,获得地震作用的水平等效静荷载。其次,将水平等效荷载与竖向荷载进行组合,利用BESO（双向渐进结构优化）方法对一榀密柱框架进行支撑分布的拓扑优化,得到一种应力分布较均匀且抗震性能优良的带支撑框架。优化中,梁柱位置单元保持不变,通过单元增减的双向进化获得传力骨架,再用等截面杆件将该骨架重构成带支撑框架。同时,利用由优化结果得来的结构概念设计多种密柱框架支撑分布方案。最后,以顶点侧向位移为性能指标,通过非线性动力时程分析,比较了这些带支撑框架的抗震性能。结果表明,拓扑优化得到的带支撑框架性能优于通过结构概念得到的带支撑框架。据此,给出了低层轻钢建筑密柱框架支撑分布的设计建议。     

显式拓扑优化的拉压杆模型自动提取方法

为了实现从显式拓扑优化到拉压杆模型的自然过渡,同时保持拓扑优化结构与拉压杆模型的拓扑一致性,以可移动变形组件拓扑优化为例,建立了显式拓扑优化拉压杆模型自动提取方法。该方法是计算机图形学和结构优化的结合,采用Voronoi骨架提取和形状优化,由骨架提取、框架提取和形状优化3部分构成。结果表明,该方法自动构建了受力合理且几何规则的拉压杆模型;Voronoi骨架提取从显式拓扑优化结构提取了光滑的中轴骨架;以类桁架指标为约束的形状优化实现了拉压杆模型从框架结构到桁架结构的质变。     

面向车身结构轻量化设计的水平集拓扑优化

提出了一种基于水平集拓扑优化的车身结构轻量化研究方法,该方法非常适合于处理车身结构设计中大量存在的多孔连续性结构体的拓扑优化.运用构造的基于水平集的数值方法,对车身近似二维的典型结构件发动机罩内板进行拓扑优化.结果表明,基于水平集的拓扑优化方法应用于车身结构轻量化研究是可行和有效的.     

正态分布连续体结构可靠性拓扑优化设计

对具有随机参数的连续体结构进行了拓扑优化设计,并考虑了随机参数满足正态分布的可靠性约束,获得优化结构的同时保证了结构的可靠度.根据可靠性理论的一次二阶矩方法,利用随机有限元求解了连续体结构的可靠度,将隐式的可靠度约束转化为等价的常规约束.将模式识别技术的K邻近(KNN)方法引入到连续体结构拓扑优化设计领域,对连续体结构进行了拓扑优化设计.根据该设计方法给出了计算示例,结果表明该设计计算方法是可行的,为工程设计提供了理论依据.