随机变量下的热传导结构拓扑优化设计

研究具有随机变量的稳态热传导结构在散热弱度约束下的拓扑优化设计问题．建立了以单元相对导热系数为设计变量,导热材料体积极小化为目标函数,满足散热弱度可靠性指标为约束条件的稳态热传导结构的拓扑优化设计数学模型．基于随机因子法,利用代数综合法推导出散热弱度的数字特征的计算表达式．采用渐进结构优化方法(Evolutionary Structural Optimization,ESO)求解,并利用过滤技术消除优化过程中的数值不稳定性现象．通过两个算例验证文中模型及求解策略、方法的合理性和有效性．     

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.     

一种载荷路径可控的柔性机翼前缘拓扑优化方法

形变柔性机构拓扑优化设计是解决自适应机翼前后缘连续平滑变形的关键。针对柔性机构传统基结构法拓扑优化结果依赖于其初始结构构型产生方法,存在自由单元和不连续结构的问题,提出了一种载荷路径生成可控并避免路径交叉的方法,运用自适应遗传算法,结合机翼前缘形变柔性机构进行拓扑优化设计,分别用MATLAB编程设计计算和用ANSYS对优化结果进行了有限元形变性能分析,并与传统的载荷路径法的拓扑优化进行了对比分析和实验验证。结果表明:所采用方法有效解决了优化前初始结构构型生成的可行性问题,提高了优化的收敛速度和精度。     

基于遗传算法的桁架结构布局优化设计

利用遗传算法在Matlab语言环境中对桁架结构进行布局优化设计方法的研究,分别选择杆件截面面积、节点坐标、杆件存在状态为设计变量,同时进行截面尺寸、形状、拓扑三个方面的优化.讨论了实现过程中一些问题的处理,利用结构可能的拓扑形式编号为设计变量进行拓扑优化等,提出利用一个变量控制参数boundsops解决了多类型参数联合编码和离散变量的问题,提出一种结构优化设计实用方法.算例表明,提出的基于遗传算法的桁架结构布局优化设计方法进行桁架结构的布局优化设计比较容易实现,简单、有效,可以产生很好的效益.     

铝合金空间网架的拓扑优化设计与耗材量比较

网架结构的拓扑优化设计对结构性能及其耗材量有着至关重要的影响.利用OptiStruct软件,分别对3种跨度和3种约束工况下的铝合金网格进行拓扑优化,并根据拓扑优化结果进行结构设计,计算拓扑优化后的铝合金网架耗材量.对比分析了不同跨度及约束条件下拓扑优化后铝合金网架与钢网架的用材量.与传统钢网架相比,按拓扑优化设计方法得到的铝合金网架,其耗材量会大大降低.     

轴对称结构拓扑变化重分析的新方法

提出了轴对称结构的两种基本拓扑变化,并应用Moore-Penrose逆理论及单元刚度矩阵的一种分解,给出了轴对称结构拓扑变化公式。利用该公式提出了一种轴对称结构拓扑修改的重分析新方法。该方法在计算静力响应时,不需反复组装、求解线性方程组,一切只需经过结构拓扑变化来实现,节省了大量的计算时间。因此该方法是一种精确的方法,并且由于公式简单,容易上机,适于拓扑优化设计(特别是局部优化设计)的重分析。最后给出的算例证明了该方法的有效性。     

基于基结构法的机翼仿生曲面网格结构设计

以某太阳能无人机机翼结构为研究对象,结合该类结构刚度分散大、超轻质、大展弦比等特点,运用基结构离散拓扑结构优化方法与仿生思想相结合的方式,设计得到了一种新的碳纤维轻质机翼结构。利用分步优化设计思想,通过GRAND法建立基结构网格关系,得到离散拓扑优化设计空间,并运用线性方法求解优化问题,获得机翼结构的拓扑关系;通过提取离散拓扑结构中杆件的节点尺寸信息,建立设计域内的材料权重分布;结合仿生设计理念,以编译结构拓扑生成方式的形式,表征参数化的模型几何特征;运用优化方法,得到最终的仿生机翼曲面网结构的最优拓扑形式。对比了该仿生结构与其他传统结构形式的结构性能,验证了所提方法对于太阳能飞机这类特殊机翼结构在超轻设计方面的可行性,在满足使用要求的前提下,实现了34.4%的结构减重。为开展此类刚度分散、碳纤维用超轻质结构研究提供了一种新的设计方法。     

轴对称结构拓扑变化重分析的新方法

提出了轴对称结构的两种基本拓扑变化,并应用Moore-Penrose逆理论及单元刚度矩阵的一种分解,给出了轴对称结构拓扑变化公式.利用该公式提出了一种轴对称结构拓扑修改的重分析新方法.该方法在计算静力响应时,不需反复组装、求解线性方程组,一切只需经过结构拓扑变化来实现,节省了大量的计算时间.因此该方法是一种精确的方法,并且由于公式简单,容易上机,适于拓扑优化设计(特别是局部优化设计)的重分析.最后给出的算例证明了该方法的有效性.     

结构抗疲劳可靠性的水平集拓扑优化

利用应力-强度干涉理论,对结构的概率疲劳和非概率疲劳强度可靠性进行了分析,构建了以结构柔度最小为目标函数、以体积比和疲劳可靠性为约束的连续体结构拓扑优化设计模型．优化前对概率和非概率的疲劳可靠性约束进行了等价显式化处理,使得优化过程形式简单,减少了计算量．利用水平集方法进行了结构拓扑优化．两个算例的结果显示了文中优化设计模型的合理性和方法的有效性．     

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.     

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。     

基于ANSYS平台的连续体渐进结构优化设计及其应用

基于ANSYS分析软件平台,在传统的渐进结构优化（ESO）思想的基础上,依据对结构位移灵敏度的分析,较严格地导出了结构的应力灵敏度;并根据荷载的最优传递路线概念提出了一种具有应力约束连续体结构拓扑优化的单元删除策略,从而使得在结构拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力能控制在容许应力范围之内。若干工程算例的优化结果表明,该方法在结构优化目标质量最轻的前提下计算效率相对较高,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了该方法的可行性和有效性。     

渐进结构优化方法及算例

渐进结构优化法(ESO)是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。其原理是通过将结构中无效或低效的材料逐步去掉,使剩下的结构逐渐趋于优化。与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便。本文阐述了渐进结构优化法的基本原理和具体步骤,并按照各种约束条件详细介绍了该方法在国内外的研究进展和典型范例。     

基于ESO的反射镜拓扑优化设计

针对目前反射镜拓扑优化存在的局限性和渐进结构优化的优点,提出了用渐进结构优化的方法对镜体进行拓扑寻优。分析了渐进结构优化的原理并进行了改进,同时对比了不同模型和删除参数的影响,对镜体在竖直和水平两种工况下分别进行分析,得到了在复合工况下材料的最佳分布(载荷传递路径),分析了这个结果与现有镜体结构形式的异同,给出了改进建议,根据上述最佳材料分布加以整理,提出了一种多点支撑下的镜体结构形式,对以后相关设计具有一定的参考价值。     

基频约束的框架结构拓扑优化

目前考虑频率约束的拓扑优化主要集中在连续体结构,以框架结构为研究对象的较少,为了得到满足频率约束的最优框架拓扑结构,需要对满足频率约束的框架结构拓扑优化进行研究.基于独立连续映射(independent,continuous and mapping,ICM)方法,将0-1型离散拓扑变量转化为[0,1]区间上的连续变量,建立了以重量最小为目标、基频为约束的框架结构拓扑优化模型.在对框架结构频率约束进行性态研究的基础上,引入2组不同的幂函数作为过滤函数,将频率约束近似显式化.将目标和约束均表示为拓扑变量的一阶泰勒展开式,建立线性规划模型,采用运动极限控制拓扑变量步长,避免迭代震荡,保证优化精度.数值算例表明:基于ICM方法的线性规划模型可高效解决基频约束下的框架结构拓扑优化问题.     

连续体结构屈曲约束下拓扑优化的ICM方法

用独立、连续、映射(ICM)方法解决具有屈曲约束的连续体拓扑优化问题．引入独立、连续的拓扑变量,建立以质量为目标,屈曲临界力为约束的连续体结构拓扑优化模型．借助Taylor expansion将目标函数作二阶近似展开;借助Rayleigh’s quotient,Taylor expansion,过滤函数将约束化为近似显函数,减少了灵敏度的计算量将优化模型用对偶规划方法求解,减少了设计变量的数目,缩小了模型的求解规模,得到较为理想的拓扑优化结果．算例表明,ICM方法在屈曲约束的连续体结构拓扑优化中可行性好、效率较高．     

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。     

统一强度双向渐进结构拓扑优化方法

在传统渐进结构优化方法基础上,采用统一强度理论提出了一种对各种性能工程材料普遍适用的统一强度双向渐进结构拓扑优化方法。该方法既可以对各向同性材料进行拓扑优化,也可以对实际工程中普遍存在的各向异性材料进行拓扑优化。算例表明,该方法不但适用于土建工程等脆性材料结构拓扑优化设计,而且在各向异性材料加工和模具设计领域具有广泛用途。