穹顶结构的拓扑优化设计

以穹顶结构为模型,以柔顺度极小为目标,在体积约束下优化材料的布局。基于穹顶简化模型建立拓扑优化数学模型,分析目标函数对设计变量的敏度,进行拓扑优化设计,得到穹顶结构材料的布局优化方案,提取结果并进行3D打印制作,对结构进行称量和受力试验。对比设计结构,证实拓扑优化结构在相同力作用下位移量更少、结构刚度更大,表明此方法可适用于穹顶结构的优化设计,为穹顶结构设计提供有力借鉴。     

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...     

拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用

提出了将拓扑优化理论和结构参数优化方法综合应用于集装箱半挂车车架结构设计中的设计思想。在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论．先对结构进行布局优化,以获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。探讨了拓扑优化设计过程中,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题。在ANSYS软件平台上进行了CAE软件包的二次开发．设计了集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。     

以频率为目标的加筋平板结构优化设计研究

以加筋平板结构的多阶模态频率达到指定值为优化目标,探讨结构的优化设计方法。提出一种双向渐进结构拓扑优化法结合尺寸优化方法的结构频率优化设计的改进方法。该方法采用具有规则格栅骨架的加筋平板结构优化模型,以骨架中的梁为结构修改基本单位,以梁敏度计算为基础。实现以频率为目标函数、以体积为约束,并结合敏度再分配策略的结构优化设计。最后,运用尺寸优化方法对优化结果进行后续详细设计。经加筋平板结构频率优化设计算例证明,该方法能满足结构的多阶模态频率优化要求;同时优化结果不存在一般拓扑优化的不规则结构问题,抑制局部模态的产生,对飞机风洞颤振实验模型的设计具有借鉴意义。     

基于拓扑优化的薄板加筋方法研究

针对常规薄板加筋方法中加筋比和厚度比的选取具有一定随意性的问题,通过编程实现最优加筋比和厚度比的选取。鉴于常规加筋方法中设计变量较单一,通过对基板的拓扑优化,将薄板加筋结构中的筋条布局设计跟拓扑优化方法联系起来,使结构中筋条的布局设计问题转化为基板中材料的分布问题,增加了筋条的设计变量。相对于常规加筋方法,拓扑优化指导加筋的方法能够达到减重的效果。     

基于导重法的结构类周期性布局优化方法研究

受外形尺寸限制,一些结构的优化区域无法划分为均匀一致的有限元网格。由此产生的单元体积依赖性,常规周期性拓扑优化无法求解。提出一种基于导重法的结构类周期性布局优化方法。以最小柔度为目标函数,结构质量为约束条件,构建结构类周期性布局优化的数学模型。利用导重法推导出结构类周期性布局优化的迭代准则,解释其物理意义并给出其优化流程。以单元应变能密度为基础,提出一种改进的过滤方案以解决结构类周期性布局优化中单元体积依赖性问题。利用所提出的方法,对循环对称结构、二维汽车轮毂结构和梯形结构进行结构类周期性布局优化研究。研究结果表明,子域数目不同时均可以得到具有类周期性布局的最优拓扑形式。通过性能指标和相对应变能两个指标来评价三个算例的最优拓扑形式,验证了利用导重法求解结构类周期性布局优化的可行性和有效性。     

箱型支撑结构加筋板布局设计方法研究

针对箱型支撑结构内部加筋板的布局问题,提出了一种基于密度法的高效设计方法。将箱型结构表示为内部布置有平行分布杆的结构,即所谓的纤维模型;采用密度法对承载外壁的材料分布进行优化设计;根据外壁的材料分布情况,确定箱型结构的内部加筋板。引入纤维模型,将三维实体结构拓扑优化设计问题转化为二维板壳结构的拓扑优化问题,计算量小,设计效率高。通过对典型设计实例的设计分析,说明了该方法的有效性。     

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。     

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 ,也能够有效地对支撑布局进行动力学优化     

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.     

桥式起重机箱型主梁周期性拓扑优化设计

桥式起重机主梁长度方向尺寸远大于高度和宽度方向,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、周期性的拓扑形式或求解困难。为了实现桥式起重机主梁的拓扑优化,得到具有周期性的、易于加工的结构拓扑形式。把主梁优化域划分成若干个子域,构建子域与优化域之间的关系。建立以优化域内单元相对密度为设计变量、以体积约束下最小柔度为目标函数的主梁周期性拓扑优化数学模型。在主梁强度和静态刚度准则下开展主梁周期性拓扑优化应用研究。结果表明,在优化过程中,各子域内同时出现孔洞,且具有周期性。直到周期性拓扑优化结束,获得具有类似“桁架式”结构的拓扑形式。子域数目取值不同时,均可获得周期性的拓扑形式,且具有良好的一致性和工艺性。为桥式起重机结构轻量化研究提出一种可行的方法。     

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。     

梯度空心多孔结构优化设计方法

针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP（I-wrapped package）型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结构的等效弹性属性进行了评估。通过引入凸优化理论的仿射概念,构造混合水平集函数,实现了梯度空心多孔结构的参数化建模;以刚度最大化为目标函数,建立了基于混合水平集方法的梯度空心多孔结构拓扑优化模型,通过优化准则算法进行求解,得到了具有良好连续性的梯度多孔结构。对优化结构进行了有限元分析,并采用选择性激光烧结技术制造了模型样件,开展了力学实验。数值案例和实验结果表明,该方法可有效实现空心多孔结构的参数化设计,显著提高了多孔结构的承载性能。     

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。     

树状分支传热结构层次生长优化设计技术

To design heat transfer structures for high heat flux electronic components with small space, reasonable heat transfer channel layout was the most effective approach. Aiming at the complex geometry boundaries and difficult-to-manufacture for heat transfer structures designed by topology optimization, a hierarchy growth method for optimal design of branching heat transfer structure inspired by hierarchical characteristics of natural vein branching system was suggested. Different growth control criteria were adopted for principal channels and lateral channels, which grew in succession to form heat transfer structures. Specifically, space colonization algorithm with temperature information was applied to the growth of principal channels, and the law of minimal thermal resistance was applied to control the growth of lateral channels. Several typical 2D or 3D design problems were studied by the suggested method, and the design results were compared with those of SIMP method. The results show that the heat transfer structure by hierarchy growth method has simple and clear geometry boundary, no tiny channel and gray element, therefore it is easy to be manufactured, and has good thermal performance.     

基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法

针对变密度多孔结构设计依据的拓扑优化密度信息不能被充分有效利用的问题,提出一种基于拓扑优化局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法。该方法根据多孔结构力学特点建立等效连续体的拓扑优化模型,通过拓扑优化密度的局部映射策略和调整方法,将拓扑优化的密度信息映射到多孔结构单元并根据映射的相对密度生成变密度多孔结构。此外,为检验多孔结构与拓扑优化密度信息的匹配程度,提出一种基于体素化和矩阵相似度的分析评价方法。最后以不同尺度的二维蜂窝为案例,验证了所提变密度多孔结构设计方法的可行性和有效性。     

层次脉状结构液冷均温板优化设计研究

由于耐热型植物具有良好的传热传质能力,结合流道拓扑优化设计和耐热型植物高级脉序的叶脉结构特征,提出一种层次脉状结构液冷均温板的设计方法。以热交换最大和流阻最小为目标开展主流道拓扑优化设计,提取胡杨叶高级脉序的结构特征,形成液冷均温板的次流道。定义结构像素密度作为描述次流道中孔的密度参数,分析其对层次脉状结构液冷均温板的传热传质性能的影响。研究结果表明,层次脉状结构的液冷流道具有较小的流阻和良好的均温性,同时主、次流道尺寸存在最优匹配。进一步研究胡杨叶脉的分布规律,发现液冷板主、次流道尺寸最优匹配规律与胡杨叶低、高级脉序尺寸匹配规律相近。研究结果不仅为液冷均温板的设计提供新思路,而且验证了耐热植物叶脉结构特征对其传热传质性能产生的正面影响。最后加工液冷板,通过试验验证了设计方法的有效性及数值模拟的准确性。     

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%。     

运用波传播和子结构技术检测结构损伤

提出了一种基于波传播和子结构技术来检测大型周期结构损伤的方法,分析了存在单一扰乱单元的有限周期结构的自由波传播,讨论了单元柔度变化对结构自振频率变化的敏感性。通过求解敏感性方程,用测得的自振频率的变化检测了大型周期结构的损伤位置和程度,并通过与子结构方法的结合,进一步提高了大型周期结构损伤检测的准确性和计算效率。对周期弹簧－质量结构损伤识别的数值结果说明,该方法不仅对结构损伤的位置和大小能够作出良好地预测,而且不需要知识未损伤结构的原始信息,只需要测得结构损伤前后的少数几个自振频率的变化,这对于实际的工程运用具有一定的吸引力。