基于密度法的热传导结构拓扑优化准则算法

热传导结构优化设计研究主要集中在形状及尺寸优化方面，这类方法由于结构初始估计构形带有经验性，通常并不是结构的最优拓扑，使设计具有局限性；为了有效求解热传导结构的最优拓扑，将结构力学中成熟的拓扑优化思想及其方法拓展到热传导结构的拓扑优化设计中，同时以最小热量传递势容耗散为优化目标，基于密度法建立热传导结构拓扑优化设计数学模型，并推导相应的优化准则；计算过程中应用基于卷积的滤波技术处理迭代密度场，消除数值计算不稳定性；不同条件下的数值算例验证了本文思想和算法的正确性、有效性，所得拓扑优化结果为后继的形状和尺寸优化提供了可靠的依据．     

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.     

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。     

机床大件结构的拓扑优化设计

根据机床结构件的特点，提出了机床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行有限元分析和优化设计，从而实现结构的自动设计，为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试。     

面向货车编队的水泥混凝土路面结构拓扑优化设计及验证

货车编队的渠化交通荷载对路面结构提出了高承载力及精细化设计需求。结合拓扑优化理论，基于变密度法、拓扑梯度法与移动渐近线法，提出了面向水泥混凝土路面的结构拓扑优化算法；分析货车编队轮迹偏移特征，利用数值计算设计了面向货车编队的水泥混凝土路面拓扑优化原型结构；从力学性能角度通过室内缩尺试验探究了拓扑优化原型结构的合理性。结果表明，对于轮迹零偏移和15 cm偏移范围的两种荷载分布，拓扑优化原型结构最大疲劳应力分别为传统结构的45.0%和37.5%，同时其质量分别为传统结构的34.3%和30.5%；试验测得的拓扑优化原型结构的最大疲劳应力与理论计算值相近，且相较于传统结构，其极限承载力提升了18.3%，证明了设计方法的有效性。     

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.     

轮胎定型硫化机结构优化设计

针对轮胎定型硫化机设计中的实际工程需求,将结构有限元分析技术与优化方法相结合,以硫化机的主要部件横梁为例,研究了硫化机的结构拓扑优化设计和结构尺寸优化设计,讨论了其中的一些关键技术,包括应力和位移约束下连续体结构的拓扑优化、基于离散变量的结构优化设计和敏度分析,工程生产实际应用验证了所述方法的有效性。     

高速精密轧辊磨头箱体的拓扑优化

高速精密轧辊磨头箱体是磨头的重要支撑部件,其结构刚度对保持内部各零件位置精度具有重要作用。为了提升磨头整体的抗振性能,采用拓扑优化的方法,对磨头箱体结构进行轻量化设计,并研究了不同筋板布局对其固有频率和刚度的影响。结果表明:拓扑优化方法可在保证磨头箱体静力学特性的前提下,尽可能减轻其质量;六种不同的筋板布局中,"米"字型筋板布局对提升箱体固有频率和刚度效果最为显著;拓扑优化方法调整了箱体的质量布局,有效提升了其动态性能。     

基于移动渐近近似函数与导重法的结构拓扑优化

针对结构柔顺度最小和体积约束的结构拓扑优化问题,引入了一种新的插值过滤函数和移动渐近近似函数。基于导重法和设计空间调整技术,形成了一种考虑结构柔顺度要求的结构拓扑优化方法。算例验证结果表明,该优化方法迭代次数少,收敛速度快,优化效率高。     

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．     

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.     

基于RAMP模型的ICM连续体拓扑优化方法

基于RAMP插值函数和独立连续映射(ICM)法,提出了一个新的拓扑优化模型. 模型采用不同参数RAMP插值函数对单元体积和单元刚度阵进行过滤识别. 与SIMP插值函数下的ICM拓扑优化模型相比,仅一、二阶导数表达式不同,拓展了优化建模方法并保证了优化求解算法的一致性. 通过拓扑优化数值算例对不同模型参数下的拓扑优化结果进行了对比分析. 结果表明,该方法适用于连续体拓扑优化建模.     

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。     

SIMP拓扑优化的拉压杆模型研究

采用SIMP应变能最小化的优化准则方法,对基于拓扑优化技术建立拉压杆模型的设计流程进行了深入研究.并对基于SIMP法拓扑优化建立拉压杆模型的影响因素进行了系统研究,总结出将最优拓扑转化为构件拉压杆模型的原则.为验证其最优性,对一简支开洞深梁建立了多种拉压杆模型,并与基于SIMP法的拓扑优化建立的拉压杆模型,通过承载能力和有效系数进行方案的比选.研究结果表明基于SIMP拓扑优化的拉压杆模型应变能和钢筋体积比最小,而承载能力较大.     

EFG法在拓扑优化中的灵敏度分析与应用

针对传统拓扑优化过程中所出现的数值不稳定性现象,以节点相对密度为设计变量,结构的柔度最小化为目标函数,提出了一种以无网格Galerkin法为数值分析方法的结构拓扑优化数学模型。利用SIMP插值模型和优化准则法,推导出其灵敏度分析算法,并编写了相应的计算程序,完成了两个连续体结构的拓扑优化。所得结果与基于有限元法的拓扑优化结果对比显示,应用无网格Galerkin法对结构进行拓扑优化设计,不仅能有效抑制棋盘格现象,且具有较好的迭代收敛性。     

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。     

杆、梁结构离散变量拓扑优化设计

在考虑断面面积和拓扑两类离散变量及其耦合关系的基础上,建立了离散变量拓扑优化设计的数学模型;该模型反映了拓扑优化问题的耦合优化本质,有效地避免了“极限应力”和“奇解”对拓扑优化问题的困扰;为求解上述数学模型,提出了“拟机率-网格搜索法”;用该法对包含两类变量的杆、梁结构进行了拓扑优化设计,收到了较好的效果。     

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.     

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.     

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.