离散体结构拓扑优化综述

本文分析了离散体结构拓扑优化的尺寸、独立拓扑变量及布局优化模型,讨论了基结构在工程设计和实际应用方面的缺陷及解决方法,评述了离散体结构拓扑优化的求解算法,简单介绍了离散体结构拓扑优化在实际工程中的应用,对拓扑优化的进一步理论研究、实际应用、软件开发做出了展望。     

导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题

柔性机构中为同时考虑结构的刚性和机构的柔性,研究结构整体柔度最小化和结构输出位移最大化的多目标拓扑优化设计方法.建立基于RAMP插值模型的多目标拓扑优化设计模型,采用伴随敏度分析法进行目标函数敏度分析.将导重法引入到柔性机构拓扑优化问题的求解中,推导出柔性机构多目标拓扑优化问题的迭代表达式.对柔性机构的典型算例进行拓扑优化计算,算例结果表明,基于RAMP插值模型结合导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题具有设计变量少、收敛速度快、优化效率高的特点,上述方法的结合为求解柔性机构多目标拓扑优化问题提供了一条新途径.     

基于自适应网格的结构拓扑优化

研究了基于自适应网格技术的结构拓扑优化.采用有限元离散设计域,单元节点密度作为设计变量.优化迭代过程中,根据设计域密度场信息对结构网格进行自适应加密和稀疏,使得材料分布边界处的网格加密,远离材料边界处的网格稀疏.同时,优化设计变量空间也随着网格的变化而变化.给出了拓扑优化中网格自适应加密和稀疏的准则,以及网格变化时结构密度场更新算法.算例结果表明提出的拓扑优化策略可以减少结构分析和优化求解的计算量,在同等结构分析和优化求解计算量下能够得到更好的拓扑结果.     

基于有限元与正/逆向技术的产品结构轻量化设计

首先对目前产品轻量化设计的现状进行了分析,而后以某机械臂结构为研究对象,应用有限元分析软件进行了静力学求解,并基于其静力学结果对研究对象的结构进行了拓扑优化分析。为高效的利用拓扑优化计算结果,将计算结果输出并运用正/逆向技术进行了模型重构,对重构后的模型进行了相同加载条件下的静力学校核,以验证结构设计的合理性。通过研究验证了拓扑优化与逆向工程技术相结合的方法在产品轻量化设计过程中的可行性。     

应力约束下桁架结构拓扑优化的静定基法

对于从基结构出发的单工况应力约束下使桁架结构重量最轻的最优拓扑,必定是静定结构;对于多工况应力约束下桁架结构的最优拓扑大多数是静定结构。而对于超静定结构的求解,目前的方法多是转化为静定的基本结构来求解。由此,本文提出一种求解桁架拓扑优化问题的新分析方法——静定基法,给出了静定基法的基本思想和求解策略,用解析方法求解了单工况应力约束下的桁架拓扑优化问题,研究了多工况应力约束下最优拓扑为静定结构的桁架结构,给出了优化问题的精确解。算例表明了该方法的有效性和可行性。     

离散变量板壳结构拓扑优化设计及其应用

将包含两类变量的桁架结构拓扑优化设计的概念及求解离散优化的相对差商法进一步推广到由板壳单元组成的板壳结构的拓扑优化，建立了包含两类变量的板壳结构拓扑优化设计模型，并采用相对差商算法进行求解．最后给出了一个特种车起竖油缸支撑横梁拓扑优化的工程实例．     

基于ABAQUS的多载荷工况结构拓扑优化设计研究

如何高效、准确的对拓扑优化问题进行求解是结构优化领域发展的重点.本文提出了一种以体积为约束的多载荷工况下柔顺度最小的优化方法.在优化迭代过程中,为使优化拓扑有较好的0-1分布特征,确保优化迭代中的结构非奇异及快速收敛,采用改变体积约束限和调整设计空间策略.基于导重法给出了结构拓扑求解算法,给出的算例证明该方法不仅迭代次数少而且求解效率高,具有清晰的0-1分布.     

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。     

基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的研究

给出了一种基于可靠性柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的新方法。其目的是将可靠性分析集成到几何非线性拓扑优化中。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术求解几何非线性的结构响应。其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型。目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求。可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算。目标函数敏度分析采用伴随求解技术,拓扑优化采用SIMP材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解。最后以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例,说明本文所提方法的正确性和有效性,研究结果表明基于可靠性拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理。     

基于复杂网络抗毁性与ADMPDE算法的网络拓扑结构优化

复杂网络抗毁性研究的重要内容之一,就是优化网络拓扑结构。在分析常用复杂网络抗毁性测度不足基础上,提出了以自然连通度为复杂网络抗毁性测度,建立了其拓扑结构优化模型;综合运用ADMPDE算法收敛好、寻优速度快等优点,通过适当改进用于求解复杂网络拓扑结构优化模型。通过仿真分析,验证了复杂网络拓扑优化模型及其求解算法的科学性与可行性,得出了拓扑优化过程网络结构变化一般性规律,并分析了网络拓扑结构优化前后,在不同攻击策略下复杂网络抗毁攻击能力。     

结合台风模拟的混合气候下分风向极值风速估计方法

采用Monte Carlo方法分别获取台风和良态风气候的极值风速样本.其中,台风气候极值风速采用Yan Meng台风模型进行模拟,而良态风气候则是对气象站风速数据拟合极值分布后再模拟一定数量的极值数据,然后对两者进行组合.最后,结合风速风向分布模型提出一种考虑风向的极值风速估计方法.利用该方法对上海地区极值风速设计值进行了估算,并讨论了其特性.模拟结果不仅同时展现台风和良态风两种气候的极值分布形态,还表明了受台风影响的地区各个风向上极值风速具有一定程度的相关性.     

山岭区高速公路坡长限制研究

探讨山岭区高速公路纵坡坡长限制的确定方法.以我国高等级公路上行驶的典型车型(EQ140)为研究对象,通过对3条正在运营的山岭区高速公路7个断面运行车速的调查、分析,建立了车辆第15%位车速与道路纵坡坡度之间的关系模型;以车辆的第15%位车速、第85%位车速为速度限制条件,提出了依据道路纵坡坡度值大小来确定容许车速的方法;利用汽车行驶理论,分析了车辆在纵坡上的减速距离;以分析结果为基础,提出了我国公路路线设计规范适当放宽坡长限制的建议,同时给出了山岭区高速公路纵坡坡长限制的修改建议值,以供设计人员在山岭区高速公路路线设计时参考.     

CH4/O2/CO2层流预混火焰传播速度实验研究

采用本生灯法,测量了CH4/O2/CO2混合气在不同工况下的层流预混火焰传播速度.采用基于火焰图像的全面积法计算本生灯火焰的传播速度.主要研究了化学当量比(08~12)、氧气体积分数(25%~35%)和稀释剂种类(N2,CO2)对火焰传播速度的影响规律.结果表明:当化学当量比为1时火焰传播的速度达到最大值,在其两侧火焰传播速度逐渐下降;火焰传播速度随着氧气体积分数的增加而增加,且火焰传播速度与氧气体积分数呈二次函数关系;与N2相比,高浓度CO2降低了火焰传播速度,CH4在O2/CO2气氛下的火焰传播速度约为O2/N2气氛下的五分之一.     

高速公路施工区车速差异显著性测定

为分析高速公路施工区不同交通控制区域的车速特性,基于现场试验与统计分析方法探究了双向四车道高速公路单向行车道封闭和半幅封闭半幅双向通行施工区车速的差异性,提出施工区车速差异分析的一种方法.采用P-P概率图法分别对两类施工区不同交通控制区域的大型车、小型车速度进行正态分布检验;运用多独立样本Kruskal-Wallis检验方法对两类施工区不同交通控制区域的大型车、小型车速度分别进行差异显著性测定.研究结果表明:单向行车道封闭和半幅封闭半幅双向通行施工区大型车、小型车速度均服从正态分布,施工区不同交通控制区域车速的差异性显著.     

水润滑轴承振动噪声分析及实验研究

建立低速重载条件下水润滑轴承有限元模型,应用Abaqus/Explicit模块分析不同摩擦系数、载荷、转速对水润滑轴承瞬态特性的影响规律,确定轴承的振动频率和振动加速度有效值,并进行实验验证.结果表明:摩擦系数越大,系统的振动幅值越高,振动噪声的分布越大,系统的稳定性越低,在一定范围内,随着载荷的增加,轴承系统的振动增大;转速对水润滑轴承振动频率的影响较小,但系统的振动加速度随着速度的增大而增大.有限元分析与实验结果基本吻合,为研究水润滑轴承的振动噪声机理提供理论依据.     

旋转圆柱层流绕流出现二次不稳定现象的数值模拟

采用数值模拟方法,计算了旋转圆柱在层流状态下流场随雷诺数和转速的变化.针对旋转圆柱在均匀流中引起的涡脱落以及二次不稳定现象,进行了分析.选取雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240时,将圆柱的转速一直增大,直到流场第二次达到稳定状态.比较了圆柱的旋转在流场达到第一次及第二次不稳定状态时对其表面的气动力、涡量以及周围流场影响的不同.计算结果表明,低转速下,流场出现初次不稳定状态时,雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240,所对应的临界转速比分别为α=1.40,1.70,1.80,1.85,1.90,1.95;随着转速的升高,流场再次出现不稳定状态,所对应的转速比区间分别为5.1< α < 5.6,4.9< α < 5.4,4.6< α < 5.2,4.4< α < 5.0,4.3< α < 4.9,4.2< α < 4.7.      

地铁施工穿越铁路车站对列车限速的影响

对南京地铁南京站站的开挖施工引起的铁路轨道变形 ,采用车辆 -轮轨系统耦合动力学非确定性激扰模型 ,就南京地铁车站的开挖施工期间沪宁铁路客、货列车的限速和施工期允许的轨道最大变形量进行计算分析 ,提出了合理的列车过站限速值     

高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析

利用一种高阶形函数的有限元方法，分析了高速运转下的螺旋槽端面密封的轴向微扰，得到了气体密封关于轴向微扰的一些动态特性参数，如密封的动态刚度和阻尼。计算了密封的一些稳态特性参数如密封开启力，静态刚度和泄漏量。分析了这些稳态和动态参数关于压缩因数和频率因数的变化关系。     

通气量对西瓜枯萎病病原尖孢镰刀菌生长的影响

采用摇床转速和装液量来控制不同通气量,对西瓜枯萎病尖孢镰刀菌株X.1.7 030527 02进行培养,研究结果表明:当装液量相同时,尖孢镰刀菌孢子生长量随转速的增加而增加,而当转速<60r/min和>150r/min时,尖孢镰刀菌孢子生长量随装液量的变化差异不大,当转速90～120r/min时,尖孢镰刀菌孢子生长量随的装液量增加而减少.装液量越大,平均孢子萌发率越高,100mL/250mL装液量的平均孢子萌发率最高,比50mL/250mL和25mL/250mL分别高1.6%和4.05%.摇床转速对孢子萌发率表现在转速低孢子萌发率高的趋势.菌丝体生长量受通气量(装液量和转速)变化影响较小.