采用类桁架连续体的桁架结构拓扑优化方法

为了将非均匀各向异性类桁架连续体离散化为工程实际需要的杆系结构,分析了类桁架结构的性质和集中杆的确定方法,建立了类桁架结构的离散化方法.算例显示:采用先构造类桁架连续体,再离散化为杆系结构的方法是可行的,得到非常接近解析解的结果.     

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.     

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.     

长悬臂桁架受横向集中力的拓扑优化

用解析方法推导拓扑优化最小重量长悬臂桁架.桁架在应力约束下,自由端受横向集中力作用,桁架宽度为常数,它的节长、结点坐标、腹杆和弦杆的角度,以及所有杆的横截面尺寸均为设计变量.分析结果表明,拓扑优化桁架中的各节腹杆的位置和横截面面积相同,中间结点位于每节1/4位置.当结构长度趋于无限长时,腹杆趋于30°,60°,相对45°桁架的体积差别不大,与类桁架连续体的体积差别也很小.     

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.     

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.     

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.     

运用响应面法的工程废土综合改性优化

基于响应面法中的Box-Behnken试验设计方法,在考虑因素间交互作用的基础上对工程废土进行综合改性优化研究.构建成型压力、混合料含水率、水泥掺量及细石掺量等因素与改性后工程废土表观密度、抗压强度、导热系数和软化系数等指标间的响应面,探索各因素对响应指标的影响规律.通过回归模型修正、试验验证获取适用于工程废土综合改性优化指标响应值预测的回归模型方程.结果表明:考虑工艺成本,工程废土在进行综合改性优化时,成型压力、混合料含水率、水泥掺量和细石掺量的最优取值范围分别为15~25 MPa,10.5%~12.5%,8%~12%和3%~6%;各影响因素对改性后工程废土的表观密度、抗压强度、导热系数和软化系数等指标的影响显著程度均不相同,且存在交互作用;修正后的改性工程废土指标响应值回归模型经试验验证,最大偏差值为6.07%,适用于工程废土改性方案的优化和各指标响应值的预测.     

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.