基于遗传算法的地铁车顶动态拓扑优化

优化理论已在机械结构设计中得到广泛应用，它包括尺寸优化、形状优化和拓扑优化。结构拓扑优化设计是结构初始方案设计最重要方法。采用遗传算法对地铁车顶进行结构动力学拓扑优化，结果表明该方法可以提高地铁车顶的动态特性，为整车新结构设计提供理论设计基础。     

钉扣机构的拓扑优化设计

介绍了钉扣机构的拓扑优化设计方法.通过对新产品功能的分解,提出了基于概念设计的机构方案,应用拓扑学理论对机构进行拓扑布局的优化与结构参数优化,取得创新设计最佳方案.通过基于遗传算法的钉扣机产品拓扑优化设计实例,验证了该设计方法在工程实际应用中的可行性和实用性.     

基于拓扑优化与正交实验设计的结构设计

针对机械结构力学性能的要求、优化设计的要求,采用一种联合应用了拓扑优化与正交试验设计的设计方法,该方法中拓扑优化的目的是经拓扑优化而得到材料分布的理想结构,从而避免经验设计,同时因拓扑优化的结构复杂、曲面难于加工,拓扑优化后必须进行以拓扑优化结果为基础的,并考虑了加工工艺的初始结构设计,因此该方法中采用正交试验法对考虑了可加工性和经济性而对拓扑结构进行调整的结构进行参数化和优化,并在求解最优解的同时科学、有效的减少了计算量,从而形成最终的结构设计。结构设计中具有类似设计要求的设计,可以借鉴该方法或参照该方法得以解决。     

卫星天线臂结构优化设计的分级遗传算法

为满足刚度大、强度高、质量小的设计要求,本文针对卫星天线臂的结构优化设计提出了分级遗传算法。首先,依据设计与制造要求,将天线臂结构优化设计分解为拓扑构型与杆件尺寸两级优化问题。然后,将单元材料相对密度作为基因,整体结构的相对密度作为染色体,将刚度与质量转化为适应度函数,形成拓扑构型的遗传算法。其次,在保持拓扑构型不变的条件下,将组成拓扑构型的各杆件的剖面面积作为设计变量,杆件结构的质量作为目标函数,形成杆件尺寸优化模型,通过引入遗传算子,形成第二级遗传算法。最后,给出了某卫星天线臂结构优化设计实例,证实了本文分级遗传算法的有效性。     

用拓扑优化方法进行热传导散热体的结构优化设计

分析了拓扑优化中的材料密度方法和优化准则数值求解算法,将结构力学中的拓扑优化方法应用到热传导结构的优化设计中,建立了热传导结构的拓扑优化数学模型,以设计具有最佳散热效果情况下的结构拓扑分布,为传热体的结构优化设计提供了一种有效的新思路和方法。     

柔性剪切蒙皮支撑结构的拓扑优化

为了求解关于柔性剪切蒙皮支撑结构的多目标拓扑优化问题,提出了一种带有多重约束处理能力的位矩阵表示的非支配排序遗传算法。采用位矩阵作为遗传算法的染色体并引入基于矩阵操作的遗传算子,利用Ansys有限元分析获得结构质量、面内剪切性能和面外承载能力等目标。利用Matlab处理结构连通性和面内应变等约束并实现了基于矩阵的优化算法,获得了一系列可行的柔性剪切蒙皮支撑结构,在实际应用中可以根据需要选择合适的结构。从研究结果可以看出,该算法可以给多目标二维结构拓扑优化问题提供可行有效的解。     

基于整型编码遗传算法的连续体结构的拓扑优化

采用整型编码的遗传算法对结构进行拓扑优化，并引入浮点型向量的交叉和变异方式，提高个体间的遗传操作效率：最后通过对悬臂薄板结构的拓扑优化分析，验证了所提出方法的有效性，并讨论了基于整型编码的遗传算法不同交叉方式对结构拓扑的影响。     

一种模块化机器人的拓扑构型优化

采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求,对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标,结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。     

离散变量桁架结构拓扑优化的混合遗传算法

为了避免结构拓扑优化过程中杆件和节点的增删带来的计算上的麻烦，在对桁架结构受力分析的基础上，提出一种启发式方法，以快速产生符合机动性要求的拓扑结构形式；然后在既定的拓扑结构形式下采用混合遗传算法——拟满应力遗传算法进行截面优化。该方法通过在遗传算法中嵌入拟满应力算子，同时对基本遗传算法采用最优个体保留、最差个体替换和控制种群个体差异等改进措施，有效提高遗传算法求解的效率和质量。算例结果表明，该方法用于离散变量桁架结构拓扑优化是有效的。     

电动车车身正向概念轻量化设计

对某铝合金电动车车身进行了正向概念轻量化设计,建立了静动态工况下的车身拓扑模型,进行了基于动静态性能驱动的整车拓扑优化,确定了车身框架结构,并对拓扑优化结果并进行了工程修正,建立了几何结构初始模型。根据车身结构和截面特点,建立了车身简化力学模型,应用遗传算法进行了截面参数优化,基于优化后的参数建立了车身有限元模型,进行了接头区域灵敏度分析和优化,直至满足刚度要求。最后完成了样车试制和车身刚度试验验证,结果表明,设计出的铝合金车身结构满足了车身刚度要求,并达到了较好的轻量化效果。     

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。     

磁共振无线能量传输拓扑结构特性研究

研究磁共振无线能量传输拓扑结构的一般特性,即变输入(激励、损耗)条件下谐振能量在时域上的存储、振荡的谐振规律。建立了基于输入项的链式拓扑结构、分支拓扑结构的能量谐振模型,通过求解两种拓扑结构变激励、变损耗输入条件下的能量振荡时域解,分别得到链式拓扑条件下的距离增强条件和分支拓扑结构下的能量分配条件。以单一中继拓扑结构和两负载拓扑为实例,在相隔线圈无耦合、负载之间无耦合的假设条件下,建立了基于能量的最大传输容量模型和负载间能量"抢夺"模型,实验验证了链式拓扑结构最大传输距离增强条件和分支拓扑结构能量分配模型的正确性。     

基于拓扑优化的机床立柱筋板改进

在拓扑优化的基础上,提出根据拓扑优化结果改进筋板布局的方法,并结合案例,构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,分别以柔度最小化、一阶固有频率最大化为目标和两者结合的多目标进行拓扑优化。在采用多目标优化时,对两个目标用加权和方法进行折衷处理,通过设置权值来确定两者在优化中所起作用大小。优化后得出不同的密度云图,根据密度云图所示材料分部,改进筋板布局,达到提高机床动、静态特性的目的。     

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.     

Power flow response based dynamic topology optimization of bi-material plate Structures

Work on dynamic topology optimization of engineering structures for vibration suppression has mainly addressed the maximization of eigenfrequencies and gaps between consecutive eigenfrequencies of free vibration, minimization of the dynamic compliance subject to forced vibration, and minimization of the structural frequency response. A dynamic topology optimization method of bi-material plate structures is presented based on power flow analysis. Topology optimization problems formulated directly with the design objective of minimizing the power flow response are dealt with. In comparison to the displacement or velocity response, the power flow response takes not only the amplitude of force and velocity into account, but also the phase relationship of the two vector quantities. The complex expression of power flow response is derived based on time-harmonic external mechanical loading and Rayleigh damping. The mathematical formulation of topology optimization is established based on power flow response and bi-material solid isotropic material with penalization(SIMP) model. Computational optimization procedure is developed by using adjoint design sensitivity analysis and the method of moving asymptotes(MMA). Several numerical examples are presented for bi-material plate structures with different loading frequencies, which verify the feasibility and effectiveness of this method. Additionally, optimum results between topological design of minimum power flow response and minimum dynamic compliance are compared, showing that the present method has strong adaptability for structural dynamic topology optimization problems. The proposed research provides a more accurate and effective approach for dynamic topology optimization of vibrating structures.     

设计相关动压力作用下连续体结构拓扑优化

针对动压力作用下连续体结构拓扑优化问题,文中以结构动柔顺度为目标,以材料体积为约束,建立拓扑优化模型.该优化问题作为一般动力学拓扑优化问题的延伸,其动压力载荷不仅随着时间简谐变化,而且随着结构拓扑和形状的变化而改变力的作用点和方向.文中提出一种基于单元的边界搜索方法,简便而准确地获得优化过程中的压力加载边界.同时采用RAMP(rational approximation of material properties)方法消除局部模态现象.数值算例表明,采用这种新的边界搜索方法,结合RAMP方法处理此类问题是有效的.     

基于可靠性的连续体结构拓扑优化设计

建立水平集函数为设计变量、刚度极小化为目标、具有可靠性约束的连续体结构拓扑优化模型,并提出相应的优化算法.文中提出的基于可靠性的结构拓扑优化算法方法分为两个步骤,结构可靠性分析和结构拓扑优化.可靠性分析采用计算简便、效率高的一次二阶矩法,结构拓扑优化设计则应用稳定高效、最优结构清晰的水平集方法.最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,表明文中提出的方法既简单又有效.     

周期性功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计

提出了一种考虑周期性约束的功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计方法。建立了基于变密度理论的固体各向同性微结构惩罚（SIMP）模型的周期性功能梯度拓扑优化模型。以整体结构散热弱度最小化为目标函数、体积分数为约束条件进行宏观拓扑优化,提取了最优构型中各预设梯度层的体积分数;通过重新分配单元散热弱度,实现了梯度层周期性约束设置。借助基于偏微分方程的灵敏度过滤方法消除数值不稳定问题,并采用移动渐近线法对设计变量进行了迭代更新。通过2D和3D数值算例分析了全局周期以及周期性分层梯度设置下,不同离散单元和子区域个数对宏观结构和微观构型的影响规律。研究结果表明：所提方法能够实现周期性约束下功能梯度结构的拓扑优化设计,不同子区域个数条件下均能获得清晰的周期性功能梯度结构且所获得的结构具有良好的散热性能。     

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OptiStruct的风力叶片拓扑优化设计

基于OptiStruct的优化平台对二维薄板和风力叶片进行了不同目标的拓扑优化,给出了均匀材料和复合材料结构分别在最小位移和应力目标下的拓扑优化结构。结果表明拓扑优化方法能够对复和材料的风力叶片进行有效优化,并提供材料的优化布局方案。