基于MSC.Nastran-optishape拓扑优化的应用研究

阐述和分析了拓扑优化的基本概念及均匀化方法的基本理论,运用拓扑优化软件MSC.Nastran-optishape对二维平面结构及三维实体结构进行了拓扑优化分析与研究,结果表明,运用该方法对结构进行拓扑优化是一种十分有效的优化方法.该方法可以广泛的应用于工程实际,对机械结构及零部件等轻量化的概念设计具有非常重要的理论和现实意义.     

基于拓扑优化的人工晶状体襻柔性机构设计

为了解决目前人工晶状体不能实现大跨度调节问题,根据人体生物眼测量基础数据及调节机制,建立了人工晶状体襻结构生物力学模型.基于结构拓扑优化方法,对人工晶状体襻结构进行了拓扑优化分析,得到布局合理的基本骨架结构.经机构运动学分析,给出了机构目标点位移值的变化规律.采用柔性建模理论方法,考虑材料特性及关节柔性,深入研究了该放大机构的实际运动规律,给出了该柔性机构位移放大的一般规律.经本模型优化后得到柔性机构位移输出值可达输入值的3.34倍,光学部前置位移随之增加,理论上可实现视觉质量的提高.     

基于不规则元胞的主轴温度－结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法（HCAM）耦合场主轴热拓扑优化设计方法. 该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化. 通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度. 利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度－结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.     

注塑机后模板顺序优化设计研究

为了有效地降低注塑机模板的重量，提出了从高层次拓扑优化到底层次参数化优化的顺序优化设计方法.该方法基于拓扑优化设计以及参数化优化设计理论，运用密度方法建立结构的拓扑优化数学模型，用优化准则(OC)法对拓扑优化问题进行求解，运用敏度过滤技术解决棋盘格式和网格依赖问题.对拓扑优化得到的模型进行规整，并采用基于连续非约束最小化技术(SUMT)的子问题近似法, 对规整后的模型进行参数化优化，得到最终的顺序优化模型.研究结果表明，与原有的后模板模型相比，用该顺序优化方法得到的后模板模型的刚度和强度均有提高，体积明显减少.     

水平集拓扑优化方法的改进

基于水平集方法和形状灵敏度分析,采用梯度法实现了柔性目标函数的拓扑优化设计。该方法通过隐含边界水平集方程诱导几何边界演化,引入最大剪应力准则构造拓扑结构。算例表明,采用该方法可以避免拓扑优化过程对初始拓扑结构的依赖性,可以弥补水平集优化方法不能开新孔的缺陷。故该方法在复杂结构和模具优化设计中具有重要意义。     

水平集拓扑优化方法的改进

基于水平集方法和形状灵敏度分析，采用梯度法实现了柔性目标函数的拓扑优化设计。该方法通过隐含边界水平集方程诱导几何边界演化，引入最大剪应力准则构造拓扑结构。算例表明，采用该方法可以避免拓扑优化过程对初始拓扑结构的依赖性，可以弥补水平集优化方法不能开新孔的缺陷。故该方法在复杂结构和模具优化设计中具有重要意义。     

渐进演化类拓扑优化算法的优化准则对比研究

渐进演化类拓扑优化算法的优化准则是影响结构优化结果的关键因素之一。以不同荷载和边界条件下的深梁模型为数值算例，比较了基于不同优化准则的3种算法在优化解和优化效率上的差别。结果表明：对于荷载和边界等条件较简单的构件，采用单向和确定性优化准则的渐进演化类拓扑优化算法能高效地得到最优拓扑，采用概率性优化准则和采用双向优化准则的渐进演化类拓扑优化算法有着更广的适用范围，在荷载和边界等条件较复杂的构件上，同样表现出较强的避免优化畸变的能力和全局寻优能力。对结合概率性优化准则和双向优化准则的遗传双向渐进演化结构优化算法建立了流程图，并进行初步讨论，以期进一步提高渐进演化类拓扑优化算法的实用性和寻优能力。     

直驱双摆角铣头支架的拓扑优化设计

以变密度法作为理论基础,运用ANSYS工具提供的结构拓扑优化模块,进行直驱双摆角铣头的关键零部件的连续体结构拓扑优化.然后根据拓扑优化结果对其进行结构的近似修改,再分析直到达到设计要求.在刚度基本保持不变情况下,优化后的体积比原设计体积大大减小.     

自卸车举升结构三角臂优化设计

以某重型自卸车为研究对象,基于SIMP插值优化方法,以构件举升三角臂体积最小作为优化目标,通过OptiStruct对机构中三角臂进行拓扑优化迭代得到新结构,之后进行强度校核,将计算结果与实际产品已知参数和数据进行对比,验证设计的合理性,同时使新零件的质量和体积减少52.4％,结果表明该方法能够很好地解决体积或质量的结构优化问题,为自卸车工程设计的结构改进和性能提升提供一种新的思路.     

应该为结构拓扑优化的设计变量正名和处理方法顺言

为了澄清拓扑化概念及促进发展,从基本概念入手,阐述了为拓扑变量正名、为有关映射顺言的必要性和迫切性。连续体结构拓扑优化方面的研究,以往学者们不注意厘清拓扑变量的概念,没有探讨其独立地位,而是依附于结构优化低层次,采用惩罚函数使变量趋于0/1,有研究者于2004年意识到应当引进Heaviside函数取代惩罚函数。其实,笔者在1996年提出的独立连续映射( independent continuous mapping,ICM)方法中已经彻底解决了这些问题：定义独立层次的拓扑变量;采用阶跃函数及其逆函数的近似逼近。本文阐述了ICM方法的概念,并以频率约束拓扑优化为例详述了建模及求解。算例表明ICM方法因概念清晰显示出明显优势。《论语·子路篇》曰：“名不正则言不顺,言不顺则事不成。”正名方可顺言,是时候该为结构拓扑优化的设计变量正名和处理方法顺言了。     

Structural topology optimization: Extensibility and attainability

Extensibility and attainability of topology optimization are discussed by investigating a variety of simultaneous topology opti-mization methods extended from the standard formulation. First, the state of the art is highlighted through systematic classification of developed methods, such as simultaneous topology optimizations of microstructure and macrostructure, structure and supports, structure and design-dependent loads, structure and locations of involved components. Second, some recent results about simultaneous topology optimization of structure and applied loads are presented. It is shown that the simultaneous topology optimization is an integrated methodology that extends the concept of standard topology optimization in the sense of systematic design. The presence of more than one kind of design variable of different nature makes the optimization problem complex but enlarges the design space to attain the optimization.     

Power control in wireless sensor networks based on robust optimization

Topology control is a critical issue for energy efficient wireless sensor networks. Distance between sensors plays an important role in the problem of topology control in that it directly determines the accuracy of the node position. However, distance is generally affected by uncertain external factors, such as measurement error and actual interference. The actual performance of a topology control strategy can be severely influenced by distance uncertainty. Based on the robust discrete optimization theory and methodology, a power control algorithm is proposed to deal with distance uncertainty. First, related works on robust optimization is introduced. Then the problem of power control is formulated as a robust minimum spanning tree model under distance uncertainty, which is solved by Prim's algorithm. In computational experiments, the influence of the adjusting parameter on network performance is studied. Simulation results show that a robust solution can provide an improvement when the distance is uncertain at the expense of the less optimal value compared with a deterministic solution.     

基于拓扑和尺寸组合优化的ATV车身轻量化研究

针对车身结构在概念设计阶段出现的拓扑优化结果不连续,结构优化设计周期时间长等问题,基于optistruct优化软件,提出一种拓扑和尺寸组合优化模型.该模型可以同时进行尺寸优化和拓扑优化设计,得到车身蒙皮优化尺寸和最优的车身骨架加载路径,同时缩短了结构的概念设计阶段的设计周期.以ATV车身的结构优化设计为研究对象,对比优化前后的分析结果,在不降低结构性能的前提下优化后的结构减重105.5kg,验证了该方法的可行性.     

桁架结构尺寸和形状、拓扑的渐进优化方法

提出了一种求解桁架结构尺寸，形状和拓扑组合优化的渐进优化方法。将优化问题分解为拓扑优化和尺寸、形状优化两个子问题分层求解。通过连续化的拓扑变量和近似方法构造了拓扑变量灵敏度系数计算式，由拓扑变量灵敏度系数识别和删除杆件单元。结构尺寸、形状优化采用准则法和渐进移点法的组合方法。分层优化时，在桁架中加上所有可能的杆件，先进行尺寸、形状优化，再进行拓扑优化，随后二者交替进行迭代，迭代过程的结构重量最小值即为最优解。算例表明了文中方法的有效性，以及组合优化最优解不一定是杆件数目较少的解。     

某型载货车车架结构的拓扑优化

采用均匀化方法,以车架的总柔度为目标函数,以体积作为约束条件,对在弯曲和弯扭联合两种工况下的某型载货车车架结构进行了拓扑优化设计,经计算获得满足体积约束并使总柔度最小的车架拓扑形式,为横梁的分布数量、位置及纵梁的加强方式提供了依据,为该型载货车车架提供了结构的概念化设计方法。     

拱坝二维水平拱圈的拓扑优化研究

利用均匀化拓扑优化方法,根据拱坝特点,以体积最小为目标,对拱坝的体形优化进行了探讨分析;基于ANSYS有限元分析软件,以工程中某拱坝二维水平拱圈为例,进行了详细的拓扑优化分析,得到了较为满意的结果,这表明均匀化拓扑优化方法应用于拱坝水平拱圈的设计是可行的.     

应变能约束下多随机参数连续体结构的拓扑优化

研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构总应变能约束下的拓扑优化设计问题．以结构总质量均值最小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构总应变能概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构的拓扑优化设计数学模型．利用代数综合法,导出了应变能响应的均值和均方差的计算表达式．采用双方向渐进结构优化的求解策略．通过两个算例验证了本模型及求解策略的合理性和有效性．     

钢筋混凝土简支深梁拓扑优化设计方法试验研究

运用拓扑优化辅助完成工程设计是近年的一种新方法。利用钢筋分离模型GBESO获取基于应力均匀化分布的最优钢筋拓扑,为解决钢筋混凝土深梁等二维构件的工程配筋设计难题提供新思路。分别参照该优化算法的解和按中国规范推荐的深受弯构件经验设计方法完成了一组钢筋混凝土简支深梁配筋设计,并进行静力对比试验。结果表明：钢筋分离模型GBESO设计的构件钢筋消耗量较低,极限承载能力较高,裂缝开展能力较强,且在破坏过程中表现出更佳的耗能能力,由此证明以斜钢筋补强斜截面的配筋设计方式更符合构件的受力机理和特性。钢筋分离模型GBESO在深梁配筋设计方面的能力得到一定的验证。     

改进遗传算法在桁架拓扑优化中的应用

基于桁架拓扑优化,对遗传算法提出了一些改进措施,形成了一种高效综合的遗传算法。在桁架的截面尺寸和拓扑结构混合设计中,对尺寸变量和拓扑变量分别进行二进制编码、交叉和变异,得到桁架拓扑结构和杆件截面尺寸的初解,适当降低尺寸变量编码精度,以加快算法的收敛速度。然后对截面尺寸重新编码,以较高的尺寸精度进行搜索,为了防止陷入局部最优解,取部分初解加入新的父代。算例表明,该算法对离散变量的桁架拓扑优化是快速有效的。     

谐和激励下的连续体结构拓扑优化

在ESO方法的基础上研究了谐和激励下连续体结构的拓扑优化问题。利用模态截断的方法和一些近似手段建立了结构的动响应表达式，并依此提出了结构优化设计评价的性能指标。采用一定的优化准则和进化优化步骤完成优化过程。算例结果表明了所提方法的有效性和合理性。