约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明：双向渐进优化算法相比单向渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。     

传统服饰纹样生成设计研究

目的 服饰是我国文化创新的主要领域,也是展示文化的主要途径。通过二维服饰传统纹样向三维实体首饰及穿戴产品的转化生成,突破以往服饰纹样在平面维度生成、衍生的局限性。方法 基于边缘检测等图像学技术结合人工描摹,实现二维传统服饰纹样图像的抽象化提取;运用人工神经网络的机器学习算法与图形学算法,训练一个传统纹样轮廓线的自动生形模型,生成三维首饰形态,并由服饰纹样二维图像生成三维参数化肌理。结果 以传统服饰吉祥纹样为例,形成纹样素材库,在此基础上,实现平面纹样提取、三维形体转化、三维肌理转化、肌理向形体映射的生成设计路径,通过应用软件系统的设计实践验证其可行性。结论 建立传统服饰文化元素的现代服饰产品形态转化及个性化定制路径,解决传统文化与现代消费、现代产业之间的割裂问题,从现代增材制造工艺、材料、理念等方面促进服饰产业的结构优化与转变,为其注入新的力量,对民族服饰文化的保护和传承具有重要的价值和意义。     

基于Potrace点跟踪的文创产品逆向设计方法研究

目的 为辅助设计人员进行产品创新设计,特别是针对文创产品设计领域提高设计效率和产品快速迭代的需求,利用产品逆向设计方法,对设计实物二维形态进行快速扫描,获取其外部形态轮廓数据,在此基础之上进行改良或者创新设计,对于快速生成产品创意和设计实践都提供了新的方法和思路。方法 针对逆向设计中,轮廓提取细节缺失、弧度线条生硬问题,本文提出了一种基于Potrace点跟踪的图像矢量路径优化算法用于文创产品的数字化分析及逆向设计。此方法以点跟踪作为基础,先利用位图中的顶点将图像轮廓抽象成多边形路径,然后再根据多边形转角大小利用贝塞尔曲线进行优化,最后通过交叉熵损失函数优化最终路径。结果 实验表明,算法在复杂边缘的矢量化线条过渡好于其他算法,并且算法与目前常见矢量化算法相比较降低了时间复杂度,算法运行时间较其他算法能够提升40%以上。结论 针对Potrace方法,提出了一种新的损失函数优化算法,算法在复杂边缘处过渡优于其他算法,同时算法运行时间大大降低,有利于将此算法用于文创产品逆向设计方法研究中。     

基于改进渐进结构优化方法的结构动力优化研究

在对渐进结构优化方法基本理论分析基础上,根据结构动力学的拓扑优化特点,结合尺寸优化理论,提出了一种新的删除准则。探索了一种改进型渐进结构优化方法,并叙述基本的优化步骤。最后,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学约束条件参数,运用该方法进行谐激励力作用下的板结构动力响应拓扑优化。算例表明,改进渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了基本渐进结构优化方法的应用范围。     

基于双向渐进结构优化的叶片锻件预成形设计

为了实现体积成形的预成形优化设计,基于双向渐进结构(BESO)优化的思想,提出了一种针对体积成形预成形设计的新方法——拓扑优化法,并详细给出了该方法的优化策略、单元增删准则、插值处理等关键技术.利用自行开发的优化程序,结合DEFORM-2D有限元模拟软件,以理想充填模腔、最小飞边状态为目标,以静水压力的大小作为单元的增删准则,从毛坯的欠填充状态出发,对二维叶片锻件的预成形结构进行了优化设计.优化结果表明:该方法算法原理清晰明确,实现方便,整个过程集成化后,从模拟到优化均可实现自动进行,运行效率高,并具有较高的优化精度.     

基于等效静载荷和模态跟踪的结构拓扑优化

为实现结构动态多目标下的拓扑优化设计,以特定模态固有频率最大化和动态柔顺度最小化加权函数为目标,提出动力特性和动力响应综合目标的渐进结构拓扑优化模型。基于等效静载荷原理,将结构的动刚度拓扑优化设计问题转换为多载荷工况静态刚度拓扑优化设计问题。基于模态跟踪技术,保证结构指定模态在渐进优化过程中的一致性。构建归一化目标函数避免不同性质目标函数的量纲与量级差异,融和渐进结构优化方法构造动态多目标下的连续体渐进结构拓扑优化算法。数值算例结果表明:所提出的动态多目标渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了渐进结构优化方法在动力学拓扑优化设计的应用领域。     

基于参数化思维的产品创新设计方法

目的 提出基于参数化思维的产品创新设计方法。针对产品的概念设计阶段,利用参数化的设计思维方法,来创造可以激发设计师灵感的设计环境,启发其更好地进行产品创新设计。方法 依据设计需求对产品进行功能特征的描述与分析,初步确定各功能部件的位置、结构、尺寸等设计参数后,对造型生成进行逻辑推演,在Rhinoceros与Grasshopper组成的参数化设计平台中选定算法并生成造型,最后通过对整体方案的分析、评估及参数化调整,来确定创新性的设计方案。结果 基于参数化思维的产品创新设计方法可有效帮助设计师进行思维发散,设计方案优化程度高、可行性强、拓展空间广,符合理论与实践需要。结论 在工业设计领域,基于参数化思维的产品创新设计方法可弥补传统设计方法的不足,使产品设计更具高效性和创新性,是一种行之有效的产品设计方法。     

基于SA-QPSO算法的多层制造单元内部布局方法

针对多层制造单元内部的设备布局优化问题,本文建立考虑单元尺寸、物料搬运量、损失时间以及单元稳定性的多目标优化数学模型。为更快速、高效地求解该问题,使用模拟退火算法（Simulated Annealing,SA）确定单元内设备所在平面以及层面,使用量子粒子群算法（Quantum Particle Swarm Optimization,QPSO）确定设备具体坐标值和所在高度。以某汽车零件加工车间为实例,运用SA-QPSO算法生成直线形、“U”形和环形3种最优空间布局方案,验证了SA-QPSO算法在多层制造单元内部布局方法设计方面的可行性。     

复杂质量结构产品参数设计的粒子群优化算法

首先提出了质量结构的概念,以质量结构模型表征复杂产品的质量特征,并基于产品的质量结构建立复杂产品系统参数设计模型,调用改进的粒子群优化算法求解,从而完成了复杂质量结构产品参数设计过程,为复杂质量结构产品的参数设计提供了一种新的思路。最后以气动换向装置的参数设计为例说明了所提方法的应用过程,验证了其可行性和有效性,得到设计参数的最优组合为换向活塞直径25.4851mm、气缸内气压3.2MPa及换向行程51.8mm。     

圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化研究

采用渐进结构拓扑优化方法,以阻尼结构模态损耗因子最大化为目标,阻尼材料体积分数为约束条件,阻尼胞单元为设计变量,建立了圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化模型,对约束阻尼以及自由阻尼材料布局进行了拓扑优化。研究了阻尼结构模态损耗因子对阻尼胞单元位置的灵敏度,导出灵敏度计算表达式。根据渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态损耗因子达到最大化。给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化设计方法的正确性和有效性     

基于骨架提取的拓扑优化最小尺寸精确控制

受到可制造性的约束,拓扑优化技术目前多用于结构的概念设计,因此,研究直接面向加工制造的拓扑优化方法很有必要。该文基于启发式BESO(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization)算法,提出了一种高效的可精确控制结构最小尺寸的拓扑优化方法。通过灵敏度插值,细化边界单元,改进BESO算法,解决边界不光滑问题;采用拓扑细化方法,提取拓扑结构的骨架构型;以此为基础,判定结构中不满足最小尺寸约束的部位,基于改进的BESO算法,实现拓扑优化结构的最小尺寸精确控制;此外,在优化过程中,通过松弛施加最小尺寸约束的方法,有效避免优化早熟问题。数值算例表明了该拓扑优化方法的有效性。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

A fixed‐grid bidirectional evolutionary structural optimization method and its applications in tunnelling engineering

Topology optimization has exhibited an exceptional capability of improving structural design. However, several typical topology optimization algorithms are finite element (FE) based, where mesh‐dependent zigzag representation of boundaries is barely avoidable in both intermediate and final results. To tackle the problem, this paper proposes a new fixed‐grid‐based bidirectional evolutionary structural optimization method, namely FG BESO. The adoption of an FG FE framework enables a continuous boundary change in the course of topology optimization, which provides a means of dealing with not only the non‐smooth boundary of the final design but also the interpretation of intermediate densities. As a class of important practical application, it is interesting to make use of the new FG BESO method to the reinforcement design for underground tunnels. To accommodate the FG BESO technique to geological engineering applications, a nodal sensitivity is derived for a two‐phase material model comprising the artificial reinforcement and original rock. In this paper, some innovative topological designs of tunnel reinforcements are presented for minimizing the floor and sidewall heaves under different geological loading conditions. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

A strength-based multiple cutout optimization in composite plates using fixed grid finite element method

The design of interior cutouts in laminated composite panels is of great importance in aerospace, automobile and structural engineering. Based on the Tsai–Hill failure criterion of the first ply, this paper presents a newly developed Fixed (FG) Grid Evolutionary Structural Optimization (ESO) method to explore shape optimization of multiple cutouts in composite structures. Different design cases with varying number of cutouts, ply orientations and lay-up configurations are taken into account in this study. The examples demonstrate that the optimal boundaries produced by FG ESO are much smoother than those by traditional ESO. The results show the remarkable effects of different opening numbers and various lay-up configurations on resulting optimal shapes. The paper also provides an in-depth observation in the interactive influence of the adjacent cutouts on the optimal shapes.     

Bi-directional evolutionary topology optimization of continuum structures with one or multiple materials

There are several well-established techniques for the generation of solid-void optimal topologies such as solid isotropic material with penalization (SIMP) method and evolutionary structural optimization (ESO) and its later version bi-directional ESO (BESO) methods. Utilizing the material interpolation scheme, a new BESO method with a penalization parameter is developed in this paper. A number of examples are presented to demonstrate the capabilities of the proposed method for achieving convergent optimal solutions for structures with one or multiple materials. The results show that the optimal designs from the present BESO method are independent on the degree of penalization. The resulted optimal topologies and values of the objective function compare well with those of SIMP method.     

小型电子设备着陆缓冲气囊的优化设计

目的针对一种新型分离式飞行数据记录系统的着陆缓冲气囊外形进行优化设计。方法基于多岛遗传算法和近似建模法通过ISIGHT优化设计平台制定相应的优化流程,建立不同坠落姿态下气囊缓冲着陆过程的数学模型,并以电子设备过载为优化目标,对气囊的外形尺寸参数进行优选,从而得出相应的气囊外形设计方案。结果描述气囊缓冲着陆冲击过程的近似模型具有较高的可信度。基于近似模型的多岛遗传算法可提高在多初始坠落倾角下气囊外形尺寸的优化效率。相较于初始外形的气囊模型,经上述优化流程运算后得到的最优气囊模型在不同初始坠落倾角下的电子设备着陆冲击过载均有所下降。结论该研究的过程和方法对于开展轻小型设备缓冲气囊的设计和优化具有指导意义。     

利用拓扑优化的结构微小损伤定位研究

以结构模态参数主要是结构共振频率和结构某点的反共振频率为基础,结合拓扑优化中的渐进结构优化法,讨论了其在微小损伤结构的损伤定位中应用的可行性。文章中给出了结构共振频率和反共振频率的灵敏度,建立了损伤定位的数学模型,提出了针对微小损伤结构的损伤区域逼近方法,并结合进化法提出了合适的进行损伤定位的策略。最后针对本文所提的微小损伤结构,给出了算例进行验证。算例表明,渐进结构优化法在结构整个区域寻找损伤点,即使对于微小的损伤结构也可以有很好的搜寻效果     

多约束的桥梁结构拓扑优化

基于ESO (Evolutionary Structural Optimization)的拓扑优化方法,本文提出了一种适应于桥梁结构的拓扑优化方法。引进了两种性能指标公式来确定最佳拓扑设计。另外,为了更有效地尝试改进最终设计的细节,而又不进行更精细有限元网格的完整分析,这里提出了一种精细网络设计方案。再者,结合细啃技术,完成了考虑应力、位移、频率约束的斜拉桥优化设计。通过几种桥梁的设计优化,表明该方法的可应用性、简洁性和有效性。