板壳结构加强筋优化设计方法

提出一种板壳结构加强筋设计方法,包括加强筋的分布设计和截面尺寸设计。通过研究植物根系成长机理,提出一种改进的自适应成长法用于加强筋的分布设计。相对于目前常用的以材料密度分布表示加强筋分布的拓扑优化方法,改进的自适应成长法以真实的加强筋分布表示,设计结果不需要复杂的后处理过程。相对于改进前的自适应成长法,改进后的自适应成长法对加强筋高度进行限制,更符合工程上的要求;通过在加强筋成长过程中引入稳定指标及退化指标,大大提高了计算效率,算法更符合植物根系的成长机理。通过典型算例的应用说明提出方法的有效性。在自适应成长法得到的加强筋分布的基础上,进一步优化加强筋的截面尺寸,算例表明,通过加强筋截面尺寸优化,结构应变能降低4%,结构减重6%。     

基于最优准则法的板壳结构加筋自适应成长技术

自适应成长技术是一种基于自然界分枝系统形成机理的结构拓扑优化设计方法。现有的自适应成长技术采用启发式的寻优迭代公式,设计结果一定程度上依赖于待定参数的取值,且不收敛于体积约束。针对自适应成长技术的不足,基于卡罗需-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tueker condition,KKT)最优准则条件,建立相应的优化准则和寻优迭代公式。以最小柔度为设计目标,以加强筋的截面积为设计变量,对典型板壳结构在单工况和多工况下的加强筋分布分别进行了设计。设计结果表明,提出的方法克服了现有自适应成长技术的局限性,可得到清晰分布的加强筋布置,适用于各种工况下的板壳结构加筋分布优化设计。     

薄板结构低噪声仿生拓扑优化方法

针对薄板结构的低噪声设计问题,以结构声辐射功率最小化为优化目标,借鉴植物脉序分枝结构的构型特征,提出了薄板结构加强筋布局的仿生拓扑优化方法。以结构应变能最小和释放局部最大剪应力作为加强筋主脉和次脉的生长准则,以广义Murray准则作为加强筋脉序的分歧准则,构造了具有脉序分级特征的加强筋自适应生长算法。以固支薄板结构的横向弯曲振动及声辐射问题为典型算例,对比分析了仿脉序分布加筋板结构的声辐射功率和振动功率流的分布特性。数值结果表明,与相同体积约束下的正交加筋布局方式相比,仿脉序分布加筋方法使薄板结构具有更优的声振特性,进而验证了薄板结构加强筋仿生布局降噪方法的有效性与可靠性。     

基于自适应成长法的大型电除尘器烟箱优化设计方法

为使大型电除尘器烟箱结构的力学性能好且质量小,根据烟箱的结构特点,提出了综合应用结构拓扑优化和尺寸优化进行优化设计的方法。 首先针对烟箱结构的加强筋分布,采用自适应成长技术,使加强筋如同植物根系一样, 沿着使其结构刚度最大的方向成长;然后针对得到的具有最优分布加强筋的烟箱结构,采用尺寸优化方法,以质量最小为目标,对其进行优化设计。设计结果表明,所提出的方法对电除尘器烟箱的优化设计有效,优化设计后的烟箱结构与传统烟箱结构相比,在质量减小7.00%的条件下,结构整体刚度提高了7.53%。     

利用植物根系形态形成机理的加筋薄壳结构拓扑优化设计

将自然界植物根系的形态形成机理应用于加筋薄壳结构加强筋分布设计方法的研究.将加筋薄壳结构加强筋的分布看成一个逐渐形成的过程,则此过程应能自适应于一定的工作条件,使结构逐步趋向具有最佳力学性能的最优结构,这样的过程和自然界中植物根系的形态形成过程具有一定的相似性.在对植物根系形态形成机理进行探讨的基础上,建立基于形态形成机理的加筋薄壳结构加强筋设计准则,即为了得到最小柔顺度结构,结构上的加强筋应沿着结构的应变能相对于加强筋断面积的设计灵敏度大的方向成长,且成长速度也与设计灵敏度成比例.以加筋薄壁圆柱壳结构为例进行加强筋的分布设计,用有限元法对设计结果进行验证.结果表明,提出的利用植物根系形态形成机理的结构拓扑优化设计方法比现有的方法简单高效,并且由于其设计结果是符合工程习惯的清晰加强筋分布,而不是模糊的密度分布,更有利于结构拓扑优化技术的实际应用.设计结果可作为进一步详细设计的初始优化模型.     

基于满应力准则的薄板结构加强筋的设计法

提出基于满应力准则的薄板结构加强筋的设计法,假设薄板的厚度给定,壳单元的厚度为设计变量,给定约束和荷载的条件下,求加强筋在薄板上布置的几何形状,使薄板结构使用材料最省,并且满足应力约束条件.算例表明该方法简单高效,计算量小.     

加筋薄板的自由振动分析

加筋薄板是航空领域最常见的结构之一,加强筋对薄板振动模态有显著影响。为改善蒙皮加筋薄板的动力学特性,旨在研究板筋连接单元的动力学建模方法以及加强筋对蒙皮薄板振动的影响机制。首先研究加筋薄板铆接、点焊和滚焊连接形式的有限元建模方法,建立铆接、点焊和滚焊薄板构件的有限元动力学模型;然后探讨单向与双向加筋薄板构件的自由振动模态;最后,分析板筋连接形式和加筋安装方向对薄板振动模态的影响机制。结果表明,加强筋的设计对薄板模态影响明显,滚焊加强筋对薄板构件的模态频率影响相对最大。     

基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法

提出一种基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法,在给定荷载及支撑的条件下,用壳单元模拟薄板壳,用梁单元模拟加强筋,并根据梁的边缘纤维屈服准则给出加强筋截面高度的修改公式,通过结构重分析不断修改梁单元的尺寸,使每个梁单元的边缘纤维达到屈服,满足迭代收敛准则后删除截面高度小于阈值的梁单元,获得薄板结构加强筋的新的分布形式并提高阈值.在加强筋的新的分布形式基础上进行下一轮优化设计.当阈值达到阈值上限时优化设计结束,从而获得最终的加强筋的分布形式及其截面尺寸.算例表明该方法简单有效,计算量小.     

基于声功率灵敏度的仿生脉序优化方法研究

通过仿照自然界双子叶植物叶脉的分布形式和生长特性,提出一种自适应成长的板壳结构加筋布局设计.采用仿生设计,将结构加筋分布的过程看作为一个逐级生长的分枝结构,从种子点位置出发,沿着使结构性能最优的方向进行生长同时将对结构性能贡献最小的加强筋进行退化,逐步形成最优加筋布局.以矩形薄板为例,首先,通过典型算例的刚度优化进行方法验证;进而,结合有限元分析法和声辐射模态方法,获取结构辐射声功率并计算仿生脉序生长规律下的声功率灵敏度,基于声功率灵敏度分布和"单元生死"实现加筋布置,最终寻求辐射声功率最小的结构加筋布局方案;最后,调查了激励频率对加筋布局的影响.结果表明,仿生脉序优化法得到的加筋最优布局比现有传统方式更为有效,布局清晰,结果更优.相关分析可为轻质板壳结构的加筋布局优化设计提供科学指导.     

基于MMA算法的桁架结构自适应成长技术

现有自适应成长技术根据数学规划理论中的库恩塔克条件推导迭代公式,对以应变能为目标,体积为约束的板壳结构加强筋分布优化问题,设计效率高且结果好。但对不同类型的优化问题需要重新推导迭代公式,通用性差,且难以推广到多约束问题。针对现有技术的不足,采用移动渐近线算法(The method of moving asymptotes,MMA)迭代更新设计变量,将自适应成长技术推广应用于桁架结构拓扑优化设计中。讨论了单约束和多约束的典型桁架结构设计问题,并对多载荷工况进行了研究。算例结果表明,所提方法可以得到清晰的杆件分布和具体尺寸信息,设计效率高,适用性好,便于实际工程加工,具有较好的应用前景。     

TOPOLOGY DESIGN OPTIMIZATION BASED ON BIOTIC BRANCH NET

The biotic branch nets are extreme high-tech product. In order to achieve a certain functional objective, they can adjust their growth direction and growth velocity by according to the varying growth environment. An innovative and effective methodology of topology design optimization based on the growth mechanism of biotic branch nets is suggested, and it is applied to a layout design problem of a conductive cooling channel in a heat transfer system. The effectiveness of the method is validated by the FEM analysis.     

基于自适应成长法的散热通道构建技术

应用自然界生物分枝网形态成长机理的自适应成长法对体-点问题进行求解,以每一单元的材料热导率作为设计变量,以设计区域的最高温度最低为设计目标,根据设计领域的温度梯度,逐步将高导热材料填充到设计区域,实现自适应成长。以若干典型体-点问题为算例,通过与现有设计方法的结果进行比较,说明提出的自适应成长技术可有效地应用于散热通道的构建。     

以生命为原型的产品概念结构设计

面向产品概念设计自动化,把生命系统的创造性和创新智能充分利用到产品设计中,提出了以生命为原型的设计原理和基于生命体结构与过程原型的生长型产品概念结构设计方法,构建了支持该观点的产品结构模型和信息模型,讨论了实施生长型设计系统原型的关键技术,包括人类需求处理和生长型设计过程,开发了生长型概念结构设计系原型,以滚字夹具设计为例验证了该方法的有效性。     

网络化产品协同设计支持系统的设计与实现

针对网络化产品协同设计的特点和多种应用需求，提出了多模式协同设计的思想，定义了几种典型的协同设计模式。基于XML和VRML技术，建立了支持网络化协同设计信息集成、过程集成和知识集成的集成模型。设计并实现了一个通用型网络化协同设计支持系统，给出了系统体系结构和实现途径，并以微小卫星研制为背景进行了应用验证。该系统具有柔性和开放性，可扩充，易裁剪，可支持多种协同设计模式，便于构成多种应用系统或与其他系统集成。     

自适应运动链的构型综合及应用研究

提出了自适应运动链概念,指出自适应运动链的自由度为0或-1。给出了自适应运动链的构型综合原则和方法,利用“胚图支链法”综合出了8杆的自适应运动链的全部构型。提出了自适应机构的设计方法,并给出了设计实例,为自适应机构的创新设计提供了理论依据。     

机构层次上仿生型构形设计CAD系统的研究

论述了机械设计过程与生物发育过程、机械构形设计过程与生物胚胎发育过程之间的相似性 ,提出了借鉴生物胚胎发育的规律实现仿生型构形设计自动化的方法 ,并从功能面、零件和机构三个层次给予简要阐述。重点讨论了机构层次上的仿生型构形设计方法 ,分别是 :机构知识的表示方法 ;机构知识的文字驱动机制。机构层次上仿生型构形设计方法可实现装配结构的自顶向下设计 ,其实用性已得到验证。     

生长型产品族设计平台

分析了面向大批量定制要求和开展产品族设计的研究现状,提出了用生长型设计自动化技术开展产品族设计研究,以解决产品族设计中共性与个性之间、模块化与创新之间的矛盾,从而提高定制的灵活性。介绍了生长型产品族设计平台及其主要功能:需求分解与可操作标准化、按需创成结构、标准化广义定位模式运用、现有零件资源匹配等。通过设计过程实例说明了生长型产品族设计平台的应用潜力。     

基于自适应成长法的周期性加筋结构拓扑优化设计方法

将自适应成长法应用到周期性加筋结构的拓扑优化设计中,以结构的应变能最小为目标,以加强筋截面积为设计变量,并构建拓扑优化设计模型。为保证优化结构可得到周期性最优拓扑形式,在优化数学模型中加入了周期性约束,并引入敏度过滤函数解决数值不稳定等问题。典型工程结构设计案例表明,提出的方法在周期性加筋结构设计中可得到形态清晰的筋条布局,且设计效率高、适用性广。同时利用所提方法模拟荷叶叶脉生长,获得了与自然界荷叶叶脉相似的布局形态,表明自然界荷叶叶脉分布能使荷叶在承受雨雪等自然载荷作用下的整体刚度最大。     

Key techniques and applications of adaptive growth method for stiffener layout design of plates and shells

The application of the adaptive growth method is limited because several key techniques during the design process need manual intervention of designers. Key techniques of the method including the ground structure construction and seed selection are studied, so as to make it possible to improve the effectiveness and applicability of the adaptive growth method in stiffener layout design optimization of plates and shells. Three schemes of ground structures, which are comprised by different shell elements and beam elements, are proposed. It is found that the main stiffener layouts resulted from different ground structures are almost the same, but the ground structure comprised by 8-nodes shell elements and both 3-nodes and 2-nodes beam elements can result in clearest stiffener layout, and has good adaptability and low computational cost. An automatic seed selection approach is proposed, which is based on such selection rules that the seeds should be positioned on where the structural strain energy is great for the minimum compliance problem, and satisfy the dispersancy requirement. The adaptive growth method with the suggested key techniques is integrated into an ANSYS-based program, which provides a design tool for the stiffener layout design optimization of plates and shells. Typical design examples, including plate and shell structures to achieve minimum compliance and maximum bulking stability are illustrated. In addition, as a practical mechanical structural design example, the stiffener layout of an inlet structure for a large-scale electrostatic precipitator is also demonstrated. The design results show that the adaptive growth method integrated with the suggested key techniques can effectively and flexibly deal with stiffener layout design problem for plates and shells with complex geometrical shape and loading conditions to achieve various design objectives, thus it provides a new solution method for engineering structural topology design optimization.