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.     

基于功能基元拓扑优化法的任意正泊松比超材料结构设计

采用功能基元拓扑优化设计方法,以超材料结构的承载能力为目标,选取功能基元结构刚度最大化为目标函数,以指定泊松比值作为约束条件,建立了任意正泊松比超材料结构拓扑优化设计模型并求解.提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,建立有限元模型,验算了功能基元的泊松比值.计算了基于功能基元周期性序构形成的超材料结构的面内、面外结构承载性能.结果表明,设计的超材料结构与传统多孔材料结构相比,具有更好的承载能力,具备轻量化优势.     

基于拓扑优化的钢桥结构合理构型研究

采用拓扑优化的方法,对钢桥结构的合理构型设计进行了研究.首先,基于Hypermesh建立了一个矩形区域的初始有限元模型,在赋予钢材参数后,进行了静力分析.然后,对模型设定可设计区域,以结构刚度为约束条件,结构总质量最小为目标函数,应用OptStruct对钢桥进行了拓扑优化.最后,提炼结构优化后的计算模型,重新进行有限元静力分析,得到结构的位移和应力分布,并将优化结果与初始模型的结果进行了对比分析.研究结果表明:优化后的结构合理构型表现为拱和桁架的组合结构,通过优化设计,在结构刚度和强度基本不变的情况下,钢桥结构的总质量可降低54%.该方法应用于一个旧桥加固工程中,有效性和可行性得到了验证.     

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.     

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。     

基于静动态特性的管道清淤机器人清淤盘的优化研究

目的为实现清淤装置的轻量化和提高工作可靠性,以参数优化和拓扑优化结合的方法对清淤盘进行静、动态特性研究.方法优化前通过有限元分析确定优化目标和顺序优化方法;以质量最小化作为优化目标,以应力和柔度作为约束条件建立参数优化数学模型,对基盘进行参数化优化;以柔度最小作为优化目标,以体积缺省比和应力作为约束条件,建立拓扑优化模型,对清淤盘进行拓扑优化;最后对优化后的清淤盘进行静、动态有限元对比分析.结果优化后,结构的质量减轻了37. 94%;迎水面积大幅减小;最大变形改变量分别为3. 04%和11. 07%;结构应力分别降低了55. 24%和87. 97%.结论清淤盘的优化达到了轻量化和减小迎水率的目的,结构刚度、强度均满足设计要求,且动态性能有所提高.     

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。     

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.     

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。     

翼盒尺寸优化中的刚度约束法

翼盒为机翼主要承力部件,优化潜力较大,是机翼结构优化设计的重点对象。在翼盒结构尺寸优化设计阶段,考虑到计算效率和技术成熟度等因素,往往只重点考虑静强度和总体变形约束。优化结果存在不满足颤振和局部刚度要求的风险。基于刚度指标,通过HyperWorks脚本二次开发,建立了关联结构参数的机翼剖面刚度响应。实现了机翼结构尺寸优化设计中各站位处的刚度约束,为如何在机翼结构优化设计中考虑颤振刚度约束提供了新的方法。     

模块化自重构机器人关键技术综述及研究展望

近年来，模块化自重构机器人因其构型复杂多样、运动模式丰富多变、目标构型可重构等特性而备受关注。通过对模块化自重构机器人关键技术的文献进行归纳，对现有的模块化自重构机器人关键技术进行了全面总结。首先，介绍了模块化自重构机器人的结构特点以及拓扑结构，重点分析了3种拓扑结构的优缺点以及发展趋势；其次，对自重构机器人现有的关键技术进行了综述，重点关注了模块化自重构机器人3种不同连接结构的物理原理和基本结构、机器人模块的重构算法以及重构过程的快速性3方面技术，分析总结了其优缺点以及发展现状；最后，针对自重构机器人空间在轨、抢险救灾两项任务的发展前景进行了展望，并提出未来的研究重点：1）探索连结结构的强刚度和轻质量的兼具方法，高效快速完成机器人重构过程；2）作业过程中，重构算法的高容错性和低耗能发展；3）将实时数据与所建立的动力学模型进行有机结合，对机器人进行人工调整，提高机器人的作业效率。     

盾构机刀盘回转系统恒功率自适应控制

为提高盾构机刀盘回转系统的工作效率和系统稳定性,采用简化刀盘回转液压系统模型,建立刀盘回转液压系统数学模型.分析了刀盘回转载荷,确定了液压系统负载扭矩计算模型.采用变论域方法建立基于变论域模糊PID的刀盘回转液压系统自适应控制算法.对刀盘扭矩施加线性变载荷和随机载荷进行控制系统的仿真实例研究.研究结果表明:在掘进系统刀盘扭矩增加时,所提出的控制系统可随时调整刀盘旋转速度以实现系统总功率的平衡,并可降低刀盘转速调整过程的超调量和调整时间.研究结论为盾构机刀盘回转液压系统的设计和改进提供了理论依据.     

塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计

为实现塔式起重机臂架布局和尺寸的优化,提出了桁架结构拓扑及尺寸两阶段优化设计方法.第一阶段先建立臂架的周期性板梁拓扑优化模型,使用周期性SKO方法对腹板进行连续体拓扑优化,得到优化的腹板拓扑构型,并通过提取主应力路径将优化的腹板拓扑结构转化为离散的腹杆布局;第二阶段以臂架腹杆截面半径为设计变量,臂架柔度为目标函数,材料体积为约束条件建立优化模型,基于Lagrange乘子法和库恩塔克条件推导腹杆截面尺寸优化迭代准则,基于欧拉公式推导了腹杆稳定性约束条件以保证尺寸优化过程中臂架稳定性.数值分析结果表明,该优化方法能有效地减轻臂架结构质量,提高臂架的刚度,减少变形并降低结构应力水平.     

某大件运输车主梁结构多目标拓扑优化

为解决大件运输车主梁结构局部应力偏大的情况,文章利用HyperWorks软件对该结构进行了拓扑优化。将匀速行驶、转弯、制动作为3种典型工况,运用折衷规划法建立了相应的多目标优化模型,经过多步迭代,计算得出拓扑优化结果。再根据实际的生产工艺需求,设计出新的主梁结构,并与原结构进行对比分析。研究结果表明,新的结构在刚度显著提高的前提下,质量有所降低,并具有更好的承载能力和使用性能。     

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     

铰链支架结构连接强度试验研究

铰链支架结构通常承受较高的集中载荷,对铰链支架结构进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化,可使结构在满足强度、刚度要求的条件下重量达到较轻的水平。优化后的铰链支架结构通常结构形式复杂,在结构分析中,由于多余的约束反力及相应的变形协调条件较多,工程计算方法较为复杂且无法准确计算结构本身及其连接部位的强度。因此必须通过试验来验证铰链支架结构各部位的承载能力,降低结构设计的风险。该文通过试验分析研究结构的应力分布和连接强度,提高校核方法的准确性和可靠性,为铰链支架结构的计算分析和优化设计提供试验依据。     

一种考虑位移和应力约束的结构拓扑优化方法

为了研究位移和应力约束以及重量最小的结构拓扑优化问题,基于ICM（独立、连续、映射）方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种考虑位移和应力约束的结构拓扑优化方法．在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量,依据结构位移、应力量和其约束限,形成和引进了新的位移和应力约束限．研究了位移线性近似式和应力约束转换表达式,建立了单元删除阚值和几轮迭代循环的单元删除策略．为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元,并建立了一套有效结构信息到结构最大设计域信息的映射转换方法．结合拉格朗日乘子法,改进了子循环迭代中连续拓扑变量的求解方法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法．给出的算例验证了该方法的正确性和有效性．     

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。     

高压输电线路救援机器人机械臂壳体拓扑优化设计

高压输电线路救援机器人轻量化是其实用性的关键性能之一.以高压输电线路救援机器人机械臂壳体为对象,采用拓扑优化的方法对该结构进行了优化设计,并依据优化结果对机械臂壳体进行了重构和验证分析.通过对重构前后的静应力对比分析表明,在满足强度刚度条件下,重构后的机械臂壳体质量降低了41.40%.研究可为高压输电线路救援机器人轻量化设计提供一种新的思路和方法.     

3D打印TPMS多孔材料力学性能数值仿真

基于三周期极小化曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)理论,设计了不同相对体积占比的螺旋二十四面体单胞模型以及拓扑模型,并通过有限元仿真软件计算了不同冲击速度下结构的力学响应,对其应力分布、力-位移曲线、承载能力、吸能效率等方面进行了分析和探讨。数值模拟结果表明,TPMS拓扑结构多孔模型具有优秀的吸能性能,相对体积和冲击速率的提升均会导致结构吸能总量及效率的升高;并且在相同条件下,多胞体的吸能效率较单胞有所提升。同时该结构在受到冲击载荷时应力分布均匀,不易产生应力集中现象;其承载能力随着相对体积分数的增加有明显的提升;结构表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的坍塌力和平台力有显著提高。研究结果为多孔材料工程产品优化设计提供了相关依据。