一种基于能量准则的结构遗传设计方法

提出一种基于能量准则的结构遗传设计方法,针对有位移及应力约束的桁架结构。引入准精确惩罚函数来处理约束,应用应变能密度准则,以应变能密度最大作为目标函数来构造适应值函数,并分别与质量最轻为目标函数和应用传统惩罚函数方法的遗传设计结果进行了比较。     

大口径闸阀阀体强度分析与结构优化

利用有限元软件对楔式闸阀阀体强度进行计算和分析,找出应力集中点,以应力集中处的最大等效应力作为目标函数,以阀座凸台处基本尺寸作为设计变量进行优化设计.得到理论最优的结构尺寸,提高阀体的强度,使阀体的应力分布更加均匀.优化前后结果对比表明优化后的阀体最大等效应力减少16.7%,优化后的阀体性能得到较大改善.     

考虑增材制造填充结构强度的拓扑优化方法

提出了一种针对给定薄壁外形的内填充结构拓扑优化方法,用于设计具有优化结构强度、满足增材制造几何要求的轻量化多孔填充结构.基于p范数函数计算结构最大应力近似值,并以最小化该值为优化目标,以提升填充结构强度.通过在优化模型中考虑局部体积约束,获得多孔填充构型,并进一步提出局部体积上限动态调整策略,提升优化过程稳定性,避免优化过程约束过强导致结构构型和应力响应突变甚至优化失败.此外,考虑了自支撑约束,保证优化所得填充结构自支撑,且支撑给定薄壁外形的悬空区域.引入了基于两场公式的优化模型,确保优化所得填充结构满足增材制造最小尺寸要求.数值算例表明,所提方法优化结果与以最小化柔度为目标的填充结构拓扑优化结果相比,在相同质量下结构强度得到了显著提升.在此基础上,在优化模型中考虑了柔度约束,讨论了填充结构刚度、强度的相互影响规律.     

预应力斜拉网格结构的静力优化分析

提出基于合理预应力取值的二级优化方法对预应力斜拉网格结构进行静力优化，对预应力优化和截面优化分别采用不同的目标和方法．杆件截面尺寸的二级优化采用结构自重为目标函数，优化方法可以采用拟满应力法；对预应力取值的一级优化可以采用结构应变能为目标函数．用ANSYS可编程语言APDL编制采用初始应变影响矩阵法和多次复形法进行预应力取值优化分析的程序，并对按不同目标函数进行预应力取值优化得到的结果进行了比较．采用不同目标函数得到的预应力取值优化结果有所差别．宜根据实际需要选择合适可行的目标函数．     

AGV车型分层结构桁架设计与多参数联合优化方法研究

为了实现AGV车架结构的强度优化和轻量化目标,以一款自主设计的AGV为研究对象,设计了一类分层桁架式的新型车架结构,并实现了基于响应面模型与优化算法组合的参数优化。在静力学分析的基础上,基于拉丁超立方试验设计构建了响应面模型,以车架方形钢截面尺寸参数为设计变量、以车架最大等效应力为约束条件、以车架总质量为目标函数,采用遗传算法对车架结构进行尺寸优化,获得了设计空间内的近似最优解。结果表明:优化后的车架最大等效应力为154.87 MPa,最大变形为0.83 mm,满足强度和刚度要求;车架总体质量与原车架总体质量相比减少32.1%,验证了方法的可行性。该方法为车架结构的设计与制造提供了理论依据和借鉴。     

新型海底管道连接器密封性能的优化

为了改善新型海底管道连接器的密封性能,给出了一种连接器关键结构参数的优化方法.论述了连接器的结构形式和工作原理,建立了以连接器接触压力方差最小化和最大塑性应变最小化为目标的多目标优化模型,运用径向基函数法建立了目标函数、约束变量与设计变量之间的数学模型,给出了连接器关键设计变量的确定方法,推导了临界接触压力均值的表达式.以某连接器为例,计算得到临界接触压力均值为370MPa,给出了影响密封性能的重要结构参数偏距与过盈量的优化方法,优化结果与有限元结果基本相同.最后对优化前后的连接器进行了对比实验,结果表明:优化后的连接器具有较高的承受内压与外载荷的能力,连接器的密封性能得到明显提高.     

预应力开孔梁模糊优化设计

在梁中开孔能够进一步满足结构功能要求，其中开孔参数的设计是重要一步。笔者在预应力开孔梁最新研究成果的基础上，用模糊规划方法，以开孔参数为设计变量，将预应力梁力学特性回归方程、应力强度计算公式转化为模型约束函数，从而建立模糊优化模型，对开孔尺寸进行优化设计，得到基于模糊综合评判的最优解答，所得计算结果对工程应用中预应力开孔梁设计具有参考价值。     

自增强高压容器的数学模型

在应力分析和证明应力函数满意解为超应变度的最佳选择的基础上，提出了自弱强高压容器的数学模型，以相当应力函数在弹－塑界面半径上取得最小为目标函数，同时箜春结构参数，操作参数及强度条件、爆破极限、尺寸限制和不发生反向屈服约束，为经自增强处理的压力容器优化设计提供理论依据。     

预应力开孔梁模糊优化设计

在梁中开孔能够进一步满足结构功能要求 ,其中开孔参数的设计是重要一步 笔者在预应力开孔梁最新研究成果的基础上 ,用模糊规划方法 ,以开孔参数为设计变量 ,将预应力梁力学特性回归方程、应力强度计算公式转化为模糊约束函数 ,从而建立模糊优化模型 ,对开孔尺寸进行优化设计 ,得到基于模糊综合评判的最优解答 ,所得计算结果对工程应用中预应力开孔梁设计具有参考价值     

土体本构模型参数的优化确定

提出了一种确定土体本构模型参数的最优化法，该法以试验得到的应力应变关系曲线与由模型算得的曲线绝对误差作为目标函数，以模型参数为变量，利用最优化技术优化迭代，求得最优解，即最优模型参数，它能使得由本构模型求得的应力应变曲线最优地逼近试验曲线。该法快捷、准确，适用于多种模型。     

基于HCA的改进收敛准则优化算法研究

为了抑制拓扑优化中出现的灰度单元现象,通过引入范数理论的概念,提出了一种新的针对连续体结构的收敛准则算法.采用变密度法,建立SIMP材料插值模型和基于元胞自动机的拓扑优化数学模型,以结构的应变能密度均匀分布为优化目标.通过经典的二维数值算例,证明该收敛准则法在结构拓扑优化中的正确性和可靠性.     

基于二级多点逼近算法的连续体结构拓扑优化

针对基于变密度法的连续体拓扑优化中设计变量连续性的特点,建立了以结构重量最小为目标,考虑位移和频率约束的连续体结构拓扑优化模型;原拓扑优化问题先转化为具有较高精度的第一级多点近似序列问题,该问题的约束函数由优化过程中历史设计点的临界约束函数值及其一阶导数构造;再通过线性泰勒展开建立可由对偶法快速求解的第二级近似序列问题,以逼近各第一级近似问题的解. 采用敏度过滤技术,避免棋盘格引起的数值缺陷问题,并对低密度区域的单元刚度进行惩罚,以消除频率约束问题的局部模态现象. 优化过程中采用通用有限元程序Nastran进行结构分析和敏度分析. 数值算例结果表明:应用该方法可以有效地解决具有位移和频率约束的连续体拓扑优化问题.      

按应变能处理应力约束的连续体结构拓扑优化

 对每个单元都引入应变比能系数,通过追求对局部应力约束的高精度逼近,使独立·连续·映射（Independent Continuous and Mapping,ICM）方法中全局化应变比能约束的表达更为可靠,同时采取放松初始应变比能系数的手段加速优化迭代。利用结构最大Mises应力对许用应力比值的幂函数对全局化处理后的应变比能约束限进行修正,或者控制结构的最大应力,或者加速优化迭代。为了使拓扑构型向合理方向演变,每次迭代都对拓扑变量履行从连续到离散的反演,反演阈值自动计算。各算例均以较少的结构重分析次数,优化得到了类似理论最优解Michell桁架的拓扑图形,表明本文处理应力约束下结构拓扑优化问题的方法是合理和高效的。     

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。     

基于拓扑优化的微夹钳设计

采用以互能和应变能比值作为目标函数的柔性结构拓扑优化方法完成了微夹钳的概念设计.结合具体的夹持对象和工作环境,在微夹钳概念设计基础上确定了微夹钳的最终结构形式.采用有限元法分析了微夹钳的传动比与夹持力,并在万能工具显微镜下测量了微夹钳原型的传动比与夹持力.试验结果表明:当微夹钳钳口尺寸为0.45mm时,微夹钳的平均传动比为22.89,最大夹持力为356.16mN,并且钳口的位移和夹持力与压电陶瓷的输入位移有良好的线性关系,与有限元计算结果基本吻合.这表明连续体拓扑优化方法在微夹钳的设计中有着重要指导作用.     

纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计

为解决纯电动汽车车身设计中仍沿用传统车身,未同时考虑碰撞相容性和正面碰撞安全性的问题,基于混合元胞自动机拓扑优化方法,以在约束条件下吸收碰撞能量最大化为优化目标,对车身结构进行多工况概念设计,从而确定出合理的电动汽车车身布局,设计出了一种满足正面碰撞安全性与碰撞相容性的车身头部结构.结合拓扑优化结果进行有限元模型验证与厚度分析,结果表明:2~3mm的汽车头部厚度可在满足正面碰撞安全性条件下平衡碰撞过程中车体结构的纵向错位,保证碰撞力的均匀分布,实现车身轻量化.     

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.     

多孔结构导电性能拓扑优化设计与实验验证

针对结构电导率受构型影响、导电性能难以准确评估等问题,提出一种多孔结构导电性能拓扑优化设计与实验验证方法。首先,研究了基于静电场理论的三维数值均匀化方法,实现了对三维多孔结构等效导电属性的评价。其次,基于变密度拓扑优化方法,以体积分数为约束条件,结合均匀化理论建立了微观尺度下多孔结构电导率最大化拓扑优化模型。然后,采用伴随变量法对目标函数进行了灵敏度分析,通过优化准则算法进行了求解,实现了不同初始结构设计和体积分数下多孔结构拓扑优化设计。最后,通过有限元分析和实验进一步验证了多孔结构的等效导电属性。结果表明：本文方法可有效优化多孔结构导电性能。     

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.      

EFG法在拓扑优化中的灵敏度分析与应用

针对传统拓扑优化过程中所出现的数值不稳定性现象,以节点相对密度为设计变量,结构的柔度最小化为目标函数,提出了一种以无网格Galerkin法为数值分析方法的结构拓扑优化数学模型。利用SIMP插值模型和优化准则法,推导出其灵敏度分析算法,并编写了相应的计算程序,完成了两个连续体结构的拓扑优化。所得结果与基于有限元法的拓扑优化结果对比显示,应用无网格Galerkin法对结构进行拓扑优化设计,不仅能有效抑制棋盘格现象,且具有较好的迭代收敛性。