连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

冷镦机床身再设计孔洞的形状优化

针对冷镦机床身的拓扑优化在剔除材料的同时削弱了床身的整体力学性能,提出在冷镦机床身结构拓扑优化后的再设计孔洞区域进行形状优化,即以床身多约束拓扑优化后的再设计孔洞,作为形状优化的设计变量,建立多边界的形状优化模型;描述了形状优化中的Laplacian光顺算法,构建了冷镦机床身再设计孔洞的形状优化过程,并在Abaqus中分别实现了某型号冷镦机床身再设计后单一孔洞和多孔洞的形状优化,分析了不同优化结果对床身整体性能的影响,验证了所提出方法的有效性。     

三维线弹性连续体的结构拓扑优化设计

研究了基于水平集模型和SIMP方法的三维线弹性结构的拓扑优化方法，优化模型的目标是结构的柔度最小。引入水平集模型隐含描述具有复杂拓扑关系的三维线弹性结构的几何边界，以材料域的形状为变量进行灵敏度分析，构造水平集方程的速度函数，通过几何边界的演化获得结构的最优形状和拓扑。同时研究了基于SIMP方法的三维连续体结构的拓扑优化设计。对基于水平集模型和SIMP的拓扑优化方法的数值算例进行比较，结果表明，基于水平集的三维结构拓扑优化具有光滑的几何边界，数值算法稳定。     

极限热弹性材料微结构的拓扑优化设计

材料技术发展一直备受科技界和产业界的关注。采用一种多相材料水平集拓扑形状优化方法,对具有周期性微结构的人工复合材料进行微结构拓扑优化设计,使复合材料具有极端的热弹性能。这一系统的数值方法,通过均匀化方法计算微结构的等效材料性能,然后采用基于多相水平集模型的参数化水平集方法实现微结构的形状和拓扑演变。多相水平集模型使用多个水平集函数的组合来描述多相材料的边界,并且不出现重叠和缺失。参数化水平集方法将汉密尔顿-雅各比偏微分方程的拓扑形状优化问题转换为一个较为简单的尺寸优化问题。由两个极限热弹性材料微结构设计算例,验证了该设计方法的可行性,为设计具备极限性能的人工材料提供了一套系统的设计方法。     

平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

桥式起重机主梁结构的可靠性拓扑优化

为了在降低设计难度和提高设计效率前提下实现起重机主梁结构的可靠性优化设计,首先基于变密度方法和概率方法分别构建以起重机主梁结构体积最小作为目标函数的确定性拓扑优化模型和可靠性拓扑优化模型;其次,将可靠性拓扑优化模型中的优化问题经混合法解耦处理后,分解为可靠性分析和当量确定性拓扑优化2个独立子问题;再次,在优化设计过程中使用灰色关联系数法分配各工况的权重系数;最后,再对经过可靠性拓扑优化设计后所得的新型主梁结构进行二次设计。结果表明,同确定性拓扑优化比较,可靠性拓扑优化的迭代次数较少,计算速度较快;经二次设计后,起重机主梁结构的刚度、强度与固有频率均得到了提高;设计结果可为起重机金属结构优化设计提供新思路。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

自由曲面的局部美化技术

针对反求工程中由多张B-样条曲面构成的边界表示模型在局部区域会出现的形状不规则性的问题,提出利用局部美化技术来消除这种外形的不规则性的方法.首先根据边界表示模型的拓扑给出局部美化的模式,并阐述曲面光顺与模型局部美化之间的区别和联系.然后,通过分析可接受的形状优化准则及其局部微分几何特性,给出局部美化的数学模型.最后,在利用形状分析方法构造局部形状不规则性区域的方法后,借鉴离散的非线性优化方法来保证形状修改的局部性和保持模型的拓扑.给出应用实例揭示了局部美化技术在反求工程中的意义.     

某新型无人帆船的结构设计及其主帆结构的轻量化设计

对为了满足海洋调查长航时、大范围和连续性的调查要求,研发了一款带有襟翼的刚性帆无人帆船,同时为了优化其帆形和结构,对主帆结构进行轻量化设计.将Fluent软件计算得到的气动载荷施加到主帆表面,结合ANSYS Workbench软件提出了形状-拓扑-尺寸联合分级优化的方法,通过形状优化,确定了主帆外形为锥形.通过拓扑优化...     

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。     

拓扑优化方法在产品设计中的应用探索

许多工程活动中,都会遇到零件的形状和性能之间的关系.所要解决的基本问题比较典型:如果给定了零件的大致外形以及零件与周围环境的分界面,那么产品的最优形状是什么.这项任务就是拓扑优化.借助于ANSYS软件对载重汽车车架进行结构优化设计,这对拓扑优化设计理论在产品设计中的应用是一种尝试.     

考虑几何非线性的结构形状优化灵敏度分析

基于非线性增量有限元理论,给出了全拉格朗日描述下的空间结构优化设计有限元刚度表达式,导出了考虑几何非线性项的结构形状优化位移灵敏度和应力灵敏度的计算公式,并通过数值算例验证了公式的正确性和有效性,同时表明灵敏度分析中,考虑几何非线性项将显著提高优化设计的效率和精度。     

面向广义优化的参数化设计方法研究

提出一种将广义优化模块与参数化设计集成的方法及其集成策略，详细探讨了产品广义优化模型和参数化模型的关系协调、变量映射构建、几何约束处理以及自动再生算法，借助于Pro／E参数化软件强大的干涉检验和三维可视化功能，实现了产品全过程和全性能的广义优化及优化结果的可视化。提出的方法在液压挖掘机设计中得到了验证。     

基于水平集方法和von Mises应力的结构拓扑优化

结合水平集方法和形状灵敏度分析，用梯度法实现柔性目标函数的结构拓扑优化设计。该方法通过基于隐含表示边界的水平集方程推动几何边界，引入von Mises应力准则作为产生拓扑结构的策略。给出了多孔结构初始化和没有初始化情况的算例，根据von Mises应力的大小开孔，产生新的拓扑结构。算例结果表明，根据von Mises应力的大小产生新拓扑的方法消除了拓扑优化结果对网格和初始拓扑结构猜测的依赖性，同时也弥补了水平集方法不能开孔的缺点。     

一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。     

Structural optimization for a jaw using iterative Kriging metamodels

Rail clamps are mechanical components installed to fix the container crane to its lower members against wind blast or slip. Rail clamps should be designed to survive harsh wind loading conditions. In this study, a jaw structure, which is a part of a wedge-typed rail clamp, is optimized with respect to its strength under a severe wind loading condition. According to the classification of structural optimization, the structural optimization of a jaw is included in the category of shape optimization. Conventional structural optimization methods have difficulties in defining complex shape design variables and preventing mesh distortions. To overcome the difficulties, a metamodel using the Kriging interpolation method is introduced to replace the true response by an approximate one. This research presents the shape optimization of a jaw using iterative Kriging interpolation models and a simulated annealing algorithm. The new Kriging models are iteratively constructed by refining the former Kriging models. This process is continued until the convergence criteria are satisfied. The optimum results obtained by the suggested method are compared with those obtained by the DOE (design of experiments) and VT (variation technology) methods built in ANSYS WORKBENCH.     

三维CAD/CAE一体化的参数化动态有限元建模

提出了一种基于CAD参数化技术与CAD／CAE一体化技术的参数化动态有限元建模方法，该方法解决了三维实体有限元建模中几何模型的描述与驱动、参数联动、模型自动更新等一系列问题，为先进的参数化有限元分析与优化设计提供了关键技术基础；阐述了三维参数化动态有限元建模方法中的若干关键技术，包括具有典型意义的基于AutoCAD／MDT二次开发环境ObjectARX的CAD／CAE集成方法、复杂三维组合曲面网格全自动生成算法、复杂三维实体的四面体网格全自动生成算法、面向对象的有限元模型描述方法，以及有限元模型的参数驱动方法等；建立了一个三维参数化形状优化设计应用原型系统。     

基于拓扑与形状优化的柴油机机体低振动设计

为实现机体的低振动优化设计,在试验验证有限元模型正确性的基础上,采用拓扑优化和形状优化方法,保证不同层次优化模型的承接性,以机体模态频率和整机振动烈度值作为优化设计目标,采用数值模拟方法对机体进行振动响应分析,为机体的优化设计识别出机体振动状况分布。以四缸柴油机机体的虚拟样机为设计对象,通过拓扑优化与形状优化得到设计变量最优解,并综合考虑相关因素确定全部布局和细节设计的最终优化方案。优化结构分析结果表明,优化后各阶模态频率均得到了提高,同时整机振动烈度值降低了34.8%,优化后的机体在满足结构刚度和强度条件下实现了机体振动烈度处于安全区域。研究表明所提出的拓扑优化和形状优化在设计效率和精度都有所提高,在机体的低振动设计中可行且有效。     

Multi-objective reliability-based optimization for design of trapezoidal labyrinth weirs

In the present research, the reliability-based design optimization (RBDO) of labyrinth weirs has been investigated. The optimization problem is formulated such that the optimal shape of trapezoidal labyrinth weir described by a number of variables is found by minimizing the volume of the trapezoidal labyrinth weir and maximizing the reliability index. The constraint conditions are the weir geometric shape and its different ratios. In order to achieve this purpose, a framework is presented whereby non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is integrated with monte carlo simulation (MCS) method to solve the RBDO approach of trapezoidal labyrinth weirs. The proposed method is applied to UTE Dam labyrinth weir, and the results are compared with the real one. The results show the need for design based on reliability in the labyrinth weirs that propose using RBDO for weir design. The results showed that RBDO approach can achieve a more reliable design in addition to reducing the volume of the trapezoidal labyrinth weir. Finally, the sensitivity analysis of the parameters effective on the reliability index revealed that three design variables of weir width, total upstream head and discharge coefficient are the main parameters affecting weir RBDO solution.