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。     

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.     

基于等效静态载荷法的车身碰撞拓扑优化

将约束释放作为边界条件引入基于等效静态载荷法的拓扑优化中,以应变能作为整车刚度的评价指标,引入相对位移作为部件柔度的评价指标.对比研究了整车正碰工况下采用约束释放和单点约束作为碰撞分析模型的拓扑优化的异同以及不同优化目标对优化结果的影响.研究结果表明:采用约束释放作为边界条件的优化结果更集中于碰撞发生位置的结构优化,而采用单点约束作为边界条件的结果更倾向于在约束处分布材料;相对位移最小可以作为优化目标,而最大化相对位移最好转化为约束条件再优化.     

局部约束阻尼层铺设的优化设计

在板状结构的抗噪减振中,约束阻尼层的铺设应用是非常广泛的,特别是局部约束阻尼的铺设。该文在Ansys环境下,主要研究了关于局部约束阻尼层铺设的优化问题。首先讨论了约束阻尼的有限元建模方法,然后应用该有限元模型,以提高前若干模态阻尼为目标,采用Cellular Automa-ta及该文改进算法(CAM)探讨了约束阻尼层的拓扑优化。在此基础上,提出了同时考虑局部约束阻尼拓扑形状优化和多设计参数优化的综合方法。仿真结果表明,该方法可以获得更高的阻尼添加效率,可以为板和圆柱壳等工程结构约束阻尼层的铺设提供一定的设计准则。     

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.     

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.     

考虑局部稳定性约束的桁架拓扑优化设计

研究单工况作用下考虑稳定性约束的圆截面桁架拓扑优化问题，以内力为设计变量将问题改写为线性约束下的数学规划；在单纯形法的基础上，提出了一个修正的算法，通过求解这个数学规划，得到了满应力的静定最优解，为了避免不稳定结构拓扑的产生，对优化结果进行了机动性分析。还将结果与不考虑稳定约束的拓扑优化结果作了比较，提供了有价值的启示。大量算例表明，本方法实用、有效，可以很方便地应用于实际工程设计。     

渐进结构拓扑优化在重力坝中的应用研究

实体重力坝是重力坝坝型的发展趋势.文章以ANSYS10.0为平台,结合APDL语言,在传统的渐进结构优化(ESO)思想的基础上,采用结构的应变能删除准则,对实体重力坝非溢流坝段进行拓扑优化.优化结果表明:结构的应力和抗滑稳定均满足规范要求,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了此方法对实体重力坝非溢流坝段进行拓扑优化是可行和有效的.     

考虑局部稳定性约束的杵架拓扑优化设计

研究单工况作用下考虑稳定性约束的圆截面桁架拓扑优化问题，以内力为设计变量将问题改写为线性约束下的数学规划；在单纯形法的基础上，提出了一个修正的算法，通过求解这个数学规划，得到了满应力的静定最优解，为了避免不稳定结构拓扑的产生，对优化结果进行了机动性分析。还将结果与不考虑稳定约束的拓扑优化结果作了比较，提供了有价值的启示，大量算例表明，本方法实用、有效，可以很方便地应用于实际工程设计。     

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。     

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.     

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.     

铝合金舟桥甲板结构优化设计

针对铝合金舟桥甲板结构，基于MSC／OPTISHAPE中的均匀化方法给出了其拓扑优化，进而基于MSC／NASTRAN给出了其尺寸优化．以某舟桥结构为背景，以应力作为约束条件，给出了铝合金甲板受轮式载荷作用时上下表板以及夹心斜板的最小重量优化设计，并对所得的优化解进行了线性稳定性校核．所得结果对工程实际有一定的参考意义．     

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.     

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。     

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.     

满意度动态加权法在自卸车车架拓扑优化中的应用

为了使自卸车车架在满足使用性能的条件下达到轻量化的要求,将拓扑优化方法引入车架的结构设计过程中。以车架多工况权重刚度最大化为优化目标,以设计区域的体积分数为约束,以设计区域的材料密度为设计变量, 建立了自卸车车架结构多刚度拓扑优化模型;在采用动态加权方法将多刚度这一多目标优化问题转化为单一目标优化的过程中,基于决策论中满意度理论提出了多工况权重比的计算方法。该方法使权重比的设定随每个单目标函数在每次迭代后的变化而自动调整,可避免传统方法中由于设计者主观因素造成的权重比偏差。仿真分析表明,车架性能满足工作要求,验证了车架设计的合理性。     

基于载荷谱的传动箱体轻量化设计研究

针对某特种车辆综合传动箱体强度过剩,质量过重的现状,需要对箱体进行优化.传统的优化方法是基于转速转矩的经验公式计算一个较大的动载系数,减少后续优化空间.此方法主要基于台架试验载荷谱获得动载系数及应力约束.建立箱体应力分布特征,筛选测点位置,对该箱体进行台架试验,测得危险部位的载荷谱.对载荷谱进行处理获得动载系数,对箱体支撑力进行修正.对箱体进行拓扑优化与尺寸优化,达到轻量化的目的.     

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.      

拓扑优化均匀化方法的改进迭代算法

针对大型连续体结构拓扑优化中迭代步过多、计算时间过长的问题,对拓扑优化均匀化方法进行了改进,并通过引入的2个密度阈值来控制计算过程.算例表明,采用改进的拓扑优化均匀化方法可有效减少迭代步数、节省计算时间,且不会影响拓扑优化计算结果.