基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计

提出一种基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计方法。该方法通过定义三维弹性体的拓扑描述数组实现了在拓扑优化设计的过程中单元网格的快速重新划分及结构拓扑信息的记录、设计域及非设计域的定义和单元的删除,将应变能低的单元定义为低效或无效的单元,在拓扑优化的过程逐步去除应变能低的单元获得结构的优化拓扑,该拓扑优化设计方法采用ANSYS软件的APDL语言实现。在程序设计中采用巧妙的增加应变能阈值的技术以避免设计灵敏度分析所带来巨大的计算工作量,从而提高了拓扑优化的效率,在整个拓扑优化设计过程中不需要人工控制的参数,程序通用性好。数值结果表明该方法高效简单,得到的最优拓扑符合工程结构的特点。     

基于选择逻辑的渐进结构优化方法研究

拓扑优化可以大大改善结构的性能或减轻结构的重量。按照渐进结构优化(Evolutionary Structural Optimization,ESO)思想,以应力为约束,提出了基于选择逻辑去除单元的ESO模型。基于ANSYS软件工作平台,阐述了优化软件实现的过程,用APDL命令编制了结构优化程序。用二维结构经典算例验证了方法的可行性,用三维结构优化算例验证了方法的通用性。     

基于人工制造约束的三维拓扑优化设计方法

为了更好地解决三维拓扑优化工程实用化的问题,提出了基于人工制造约束的拓扑优化设计方法。该方法在拓扑优化过程中实时地监控拓扑优化结果,并借助设计人员的工程经验,实时地加入符合制造工艺成型的约束条件辅助计算进行机拓扑优化设计。钢结构拱桥算例中以有限元软件ANSYS为平台进行二次开发、以双向渐进结构优化法为核心算法通过人为干预实现了在拓扑优化过程中钢结构拱桥斜支撑向竖直支撑的转变。通过对比发现该方法的优化结果与实际拱桥模型结构相似,表明了该方法是有效的和可行的。     

基于ANSYS的结构拓扑优化

针对拓扑优化技术在现实中的应用问题,将拓扑优化技术应用到自行车车架和多拱拱桥的最优化设计中。开展了各种拓扑优化方法的分析研究,建立了"以单元材料密度为设计变量,以结构的柔顺度最小化为目标函数,体积减少百分比为约束函数"的数学模型;通过采用商用有限元软件ANSYS中的拓扑优化设计模块对自行车车架和多拱拱桥进行了拓扑优化设计,优化结果表明所得拓扑结构清晰,并与实际的自行车车架和多拱拱桥非常相似。研究结果表明,该结构拓扑优化方法正确而有效,具有一定的工程应用前景。     

基于变密度法的多材料与结构一体拓扑优化研究

针对多材料连续体结构拓扑优化问题,基于3D打印技术的发展,将材料可由多种不同材料按任意比例混合组成的技术应用于多材料拓扑优化问题中。在变密度法结构拓扑优化方法基础上,提出了一种双材料混合结构拓扑优化模型及其计算方法;在该模型中以单元密度作为设计变量,同时增加单元中两种材料混合比例为设计变量;最后通过两个算例对所提出方法的有效性进行了验证。研究结果表明:采用该方法进行结构拓扑优化的同时,可以得到两种材料的混合比例,实现基于各向同性固体材料插值模型(SIMP)的多材料与结构一体拓扑优化。     

基于单元应力选择的BESO算法及其应用研究

针对变密度法和渐进结构优化法的缺点,提出了一种基于单元应力选择的双向渐进结构优化法。利用APDL语言对ANSYS单元的删除和添加功能进行二次开发,通过删除和添加单元,得到满足目标体积的拓扑结构,在此基础上,按照应变能水平高低,在保证体积不变的前提下,进一步恢复和删除单元,得到最优的拓扑结构。该方法综合考虑了结构体积的变化和单元的应力水平,避免了经验计算和振荡现象,有效提高了优化质量和计算效率。文中给出了算法的基本原理和步骤,并以TBT-ML500深孔钻床刀杆箱为研究对象,对其进行了拓扑优化和重构设计。结果表明,优化后刀杆箱的应力和变形量均降低,同时整体质量减少了9.26%,实现了刀杆箱的刚度最大化,同时也验证了该算法的有效性。     

基于无网格Galerkin法的连续体结构拓扑优化方法研究

基于一种新型的数值计算方法-无网格伽辽金法（EFG）;采用拓扑优化方法中的SIMP法,以节点相对密度为设计变量、结构柔量最小为目标函数,建立结构拓扑优化的数学模型;然后采用优化准则法,推导设计变量的迭代格式,分析其灵敏度,在拓扑优化设计中采用敏度过滤技术有效地遏制了点态棋盘格的产生;最后用Matlab软件编写了相应的计算程序,完成实例优化,并将结果与基于有限元法的优化结果相比较,证明了该方法的正确性和有效性。     

典型三维机械结构拓扑优化设计

为了提高拥有数万个单元以上的三维机械结构拓扑优化的计算效率, 基于渐进结构优化方法, 并结合结构位移计算的迭代方法, 建立一套三维机械结构拓扑优化的求解策略和算法.然后, 构建分别用于结构分析和结构优化迭代的两套数据流和它们间的映射方法, 研究和开发三维机械结构拓扑优化设计软件.完成几个典型和复杂的三维机械结构的仿真优化设计.设计结果表明,发展的方法和软件是正确和有效的, 且具有广泛的工程应用前景.     

汽车车架的结构优化设计

这里以有限元结构分析和优化算法相结合为手段，以某型载货车车架为例，先对车架进行拓扑优化获得车架最优拓扑形式，根据车架最优拓扑形式确定横梁的数量及分布位置和纵梁的加强方式，得到车架的概念化设计。然后对横梁和纵梁的截面尺寸进行优化，建立了车架的力学模型，优化参数模型，优化数学模型，有限元模型，采用ANSYS参数化设计语言编制了优化设计程序，用ANSYS软件中的零阶优化方法获得最优设计，计算结果表明该优化设计方法的有效和高效，给出了汽车车架的计算机辅助优化设计的有效方法，该方法可广泛应用于车架的优化设计工程。     

基于压缩索引的二阶四面体网格等值面抽取方法

基于二阶10节点四面体网格单元可视化过程中存在的等值面拓扑、三角等值面片结果的计算、存储及传输代价问题,提出了基于压缩索引的等值面抽取方法。为真实表现网格单元内部等值面片拓扑结构并克服其二义性,分析并简化了二阶10节点四面体单元等参插值函数,提出顶点、棱边、表面间的关系矩阵,分别在网格单元棱边、表面及体内计算提取可以表现等值面几何拓扑特征的等值点,设计了关键点匹配规则;结合三类插值点间的逻辑关系制定了令拓扑准确唯一的等值面片三角化及优化策略,设计了辅助三角化、图像优化及绘制过程的可分裂式三角面片压缩索引结构,提出了针对初始面片及优化后面片存储结构的分裂策略。试验结果证明,该方法可准确描述及确定二阶四面体网格单元内部等值面片的唯一拓扑结构,基于压缩索引结构的计算及优化分裂方法简捷有效,可适应不同的精度要求,大幅降低了计算与绘制传输中产生的代价。     

基于ESO方法的梁形状拓扑优化

基于渐进结构均匀化拓扑优化的方法,以体积为目标函数,建立了梁结构的不同布局的拓扑优化模型.利用ESO方法的思想理论推导出梁结构拓扑优化的数学模型,并借助于ANSYS软件平台,利用APDL语言实现了优化算法.数值算例验证了该方法的可行性和有效性,它可减少设计变量的数目,提高求解效率.     

基于ANSYS参数化语言的微结构拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型：以变密度法作为材料的插值模型,以最小柔度作为目标函数,以优化准则作为优化算法,通过ANSYS参数化编程,实现了微结构拓扑优化。优化结果表明,该模型与ANSYS参数语言编程相结合,可以有效地实现微结构的拓扑优化设计。     

A new topology optimization scheme for nonlinear structures

A new topology optimization algorithm based on artificial bee colony algorithm (ABCA) was developed and applied to geometrically nonlinear structures. A finite element method and the Newton-Raphson technique were adopted for the nonlinear topology optimization. The distribution of material is expressed by the density of each element and a filter scheme was implemented to prevent a checkerboard pattern in the optimized layouts. In the application of ABCA for long structures or structures with small volume constraints, optimized topologies may be obtained differently for the same problem at each trial. The calculation speed is also very slow since topology optimization based on the roulette-wheel method requires many finite element analyses. To improve the calculation speed and stability of ABCA, a rank-based method was used. By optimizing several examples, it was verified that the developed topology scheme based on ABCA is very effective and applicable in geometrically nonlinear topology optimization problems.     

高效磨削自动化装备重载荷进给单元轻量化设计研究

利用当前常用的有限元分析工具,对大体积质量重的高精度的磨削装备的主体结构的横梁进行拓扑优化设计和仿真分析,实现其轻量化,结果显示该设计不但能实现其轻量化,减少弯曲挠度,还能有效提高其动态性能.     

注塑机械手结构拓扑优化设计

建立某注塑机械手分析模型,针对其设计工况进行动、静力分析;应用ANSYS软件的拓扑优化功能．对机械手结构的关键部位（主臂梁）进行拓扑优化,在满足机械手整体强度条件下,改变其质量分布,提高了机械手的低阶固有频率,从而提高了机械手的整体动态特性。通过优化设计,z方向振幅下降53％,y方向振幅下降40％．x方向振幅下降82％。该方法为机械手的结构优化设计提供了一种高效可行的途径,可以缩短机械手设计周期,提高工作效率。     

拓扑优化在发动机吊挂结构设计中的应用

研究了拓扑优化技术及其在航空发动机吊挂结构设计中的应用。建立了拓扑优化问题的数学模型,进行了灵敏度分析,采用CONLIN算法进行优化迭代求解,并介绍了消除数值不稳定现象棋盘格的方法。建立了基于通用有限元分析软件ANSYS和CONLIN优化算法的优化设计平台,采用FORTRAN语言编写了相应的有限元二进制数据读取、灵敏度求解、灵敏度过滤和流程控制等算法。将本方法用于发动机吊挂的结构设计中并得到合理的结果,证实了其有效性。     

杜瓦顶盖结构优化设计

在HyperMesh中建立了杜瓦顶盖的有限元模型,通过对原始顶盖模型进行受力分析,可知原模型存在不合理之处。为获得更加合理的结构,建立了基于变密度法的拓扑优化数学模型,利用OptiStruct求解器对顶盖进行拓扑优化设计,得到顶盖最优的加强筋布置形式。并在拓扑优化结果的基础上对顶盖的厚度进行尺寸优化,以求达到顶盖的刚度最大时用料最少的结果。     

基于耐撞性拓扑优化的汽车关键安全件设计

将耐撞性拓扑优化方法应用到车辆实际开发过程中,阐述了基于LS-DYNA显式有限元算法的耐撞性拓扑优化方法,并给出其迭代求解的数学模型。结合该方法,对某车辆的门槛梁进行40%偏置碰撞和侧面碰撞的并行拓扑优化,根据优化结果的材料分布情况进行了工程诠释。在整车碰撞有限元模型中对工程诠释结果进行了验证,结果表明：耐撞性拓扑优化方法行之有效,且拓扑优化结果使得车辆的碰撞性能有一定的提高。