基于免组装有限元的悬架控制臂拓扑优化

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.     

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.     

离散变量桁架结构拓扑优化的遗传禁忌搜索算法

采用遗传禁忌搜索算法求解多工况多约束的桁架结构拓扑优化问题.在遗传算法中采用直接比较-比例方法(DCPM)处理约束,避免了确定罚因子的选择问题.为了提高遗传算法的局部搜索能力,在每一代遗传操作之后选择一定比例的解进行禁忌搜索,形成遗传禁忌搜索算法,以提高算法的全局搜索能力和收敛速度.数值算例表明,该方法用于求解多工况多约束的离散变量桁架结构拓扑优化问题是方便、快速和有效的.     

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.      

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     

汽车变速器壳体多工况自适应性拓扑优化方法研究

为解决汽车变速器壳体多工况拓扑优化适应性问题,提出一种基于折衷规划拓扑优化理论的汽车变速器壳体多工况自适应性拓扑优化思路.以某前横置变速器壳体为研究对象,以刚度最大、柔度最小为优化目标,借助Hyperworks分析软件,开展变速器壳体折衷规划自适应拓扑优化设计方法研究.经有限元分析验证,运用折衷规划拓扑优化方法形成的变速器壳体结构设计模型,在一/倒档两典型工况下的目标函数都逐渐收敛于最小值,各档位柔度均达到最小,可同时满足汽车各工况下变速器壳体强度可靠性要求.应用实践表明,折衷规划拓扑优化法是一种有效解决复杂结构体多目标优化问题的可行方法.     

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。     

基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计

针对电动汽车的独特承载要求,提出一种结合拓扑优化和车身尺寸优化的优化设计方法.以某型电动汽车为实例,通过建立白车身拓扑优化模型、有限元概念模型、尺寸优化模型和样车制造,进行了从整车拓扑结构到车身梁截面的优化设计过程,实现了电动汽车白车身的正向设计.在优化过程中采用遗传算法,以弯曲刚度和扭转刚度同时作为优化目标,白车身质量最小作为优化约束,选取了灵敏度较高的梁作为变量进行多目标优化.通过与样车参数的比较表明,该方法能够满足设计和工艺要求,实现轻量化设计,对提高白车身设计效率和精度有着重要的意义.     

考虑气动-结构耦合的机翼三维结构拓扑优化方法

针对机翼三维结构拓扑优化方法在工程实际应用中的气动-结构耦合问题,开发了一种在机翼翼型表面直接加载气动载荷的三维拓扑优化方法。用更接近真实工程的约束和载荷条件进行结构拓扑优化,便于考虑不同翼型之间气动载荷的差异,并兼顾拓扑优化方法的载荷敏感性;利用MATLAB编写自动网格划分、施加约束和载荷、求解优化的结构分析程序,实现气动-结构分析统一模型;最后通过实例验证了方法的可行性及有效性。结果表明该方法为载荷敏感的拓扑优化方法更精确得到符合实际工况的优化结果提供了一种实用的方案;并对于气动-结构耦合三维拓扑优化方法进行了原理性的探索研究。     

车架结构二次拓扑优化设计与性能分析

针对重型车底盘车架的设计问题,提出一种基于多工况和二次局部优化的整体拓扑优化方法.根据商用车底盘实际尺寸,建立其结构拓扑优化模型.基于7种典型行驶工况得到初始拓扑结构,再根据不同工况对其局部二次拓扑优化得到最终车架优化结构,最后对其进行有限元仿真对比分析.结果表明:新车架结构质量减轻约30 kg,其刚度、强度及模态性能与原车架相比均有一定程度的改善,验证了所提出的二次拓扑优化方法的有效性.     

基于仿生子结构的铝合金板式节点拓扑优化

针对铝合金板式节点自重大且应用传统拓扑优化效果不佳的问题,在子结构拓扑优化的基础上利用仿生学原理提出一种仿生子结构划分方法,显著改善了铝合金板式节点的拓扑优化效果,并构建一种轻质高强的新型铝合金节点.首先以Y型节点为例提出仿生子结构拓扑优化的基本思路和数学模型并验证了该方法的有效性;然后应用该方法对传统铝合金板式节点进行拓扑优化.优化过程中,先使用SolidWorks软件建立节点模型;然后以甲虫前翅为仿生对象进行拓扑优化子结构划分,并应用HyperWorks有限元软件中的OptiStruct求解器进行给定荷载条件下的节点拓扑优化分析;再通过OSSmooth模块进行FEA reanalysis处理,提取优化结果的关键拓扑特征;最后将拓扑节点有限元模型通过SolidWorks软件进行重建模设计,获得新型铝合金节点.研究结果表明,仿生子结构拓扑优化方法有效提升了结构优化效率和优化效果,应用该方法得到的新型铝合金节点在最大等效应力降低19.97％的同时大幅降低其自重52.91％.     

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%.     

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.      

空间光学遥感器长条形反射镜集成优化设计

针对空间光学遥感器离轴三反光学系统主镜的高轻量化率、高面形精度要求,提出了一种长条形反射镜集成优化的设计方法。首先利用变密度的拓扑优化方法分别得到刚度最大化和一阶频率最大化的反射镜拓扑模型,综合两种拓扑模型得到了反射镜的集成设计方案;然后提出了基于镜面变形值的镜体加强筋变量拓展优化方法,进行了设计变量的灵敏度分析,并对反射镜局部加强筋进行了多变量尺寸优化,得到了该长条形反射镜的最佳轻量化结构;最后对优化结果进行了有限元分析,仿真结果表明反射镜在优化后的面形精度有了显著提升,镜体质量仅为8.65 kg,与实心镜体相比轻量化率达到了80.9%。在Z向1g重力作用下,镜面面形精度峰谷值为23.70 nm,均方根值为4.54 nm,该优化方法能很好地满足设计要求。     

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。     

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。     

管壳式相变蓄冷单元传热肋片拓扑优化设计

针对管壳式相变蓄冷单元传热肋片结构设计固化，概念设计缺乏理论指导，强化换热效果有限等问题，本文基于拓扑优化理论，构建二维管壳式相变蓄冷单元的物理模型并进行有限元分析；选取最终时刻平均温度为目标函数，以肋片材料体积占比为约束条件构建管壳式相变蓄冷单元二维肋片拓扑优化模型；对模型进行特征求解得到肋片清晰的拓扑轮廓以及动态演化特性。在上述研究基础上，进一步分析了不同肋片体积占比下所得优化拓扑构型的异同，得出20%的体积占比是综合考虑优化效果和成本的较优值。对比相同肋片体积分数下直肋单元与拓扑优化肋单元的蓄冷特性，结果发现，采用拓扑优化肋片的蓄冷单元中蓄冷速率较直肋提高了41.7%，最终时刻设计域的平均温度较直肋降低了3℃左右，从而验证了拓扑优化在相变蓄冷单元传热结构优化方面的优势。     

动响应约束下阻尼材料配置优化的拓扑敏度法

提出阻尼胞单元和阻尼拓扑敏度等概念，建立了基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则，并用于频率和动响应约束下自由阻尼层结构阻尼材料的配置优化。讨论了阻尼材料拓扑基结构的规模与优化效率的关系。通过典型算例验证了所提出方法的正确性。     

Optimization Design for Fixed Table of Gantry Machining Center Based on Sensitivity and Topology Analyses

In order to decrease the deformation and stress and increase the natural frequency of the fixed table,a method of optimization driven by the sensitivity and topology analyses is proposed.The finite element model of the fixed table is constructed and analyzed by using ANSYS software.Based on the results of static analysis and modal analysis,the maximum deformation,the maximum stress,and natural frequencies are obtained.Then,the sensitivity analysis and topology optimization are carried out to find out the parameters to be optimized.The fixed table is reconstructed according to optimal design scheme.In the comparison of the results between original model and the optimized one,the maximum deformation and stress are decreased by 71.73％ and 60.27％ respectively.At the same time,the natural frequencies from the first mode to the sixth mode are increased by 30.28％,29.57％,29.51％,31.52％,22.19％,and 21.80％,respectively.The method can provide technology guide for the design and optimization of machining structure.