汽车座椅骨架构件布局设计方法

传统的汽车座椅骨架构件布局依靠经验设计,不仅设计效率低,而且得不到性价比最优的结构.以某轿车后排座椅板管结构骨架为研究对象,基于结构拓扑优化设计技术,提出了座椅骨架构件布局设计方法.首先,根据骨架外观形状及尺寸要求,确定设计区域,并根据实际的安全带加载工况,建立设计模型;然后,以结构静刚度最大为优化目标,采用变密度法对结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果,提出2种不同的布局方案;最后,根据有限元分析结果确定最终的设计方案,并对优化设计结果进行行李箱后撞的安全性分析.研究结果表明,在骨架质量下降1.92%的情况下,整体静态刚度提高19.0%,并满足动态碰撞的安全性要求.采用所提出的设计方法,可以得到最优座椅骨架构件布局结构.     

桁架结构智能布局优化设计

结构的布局优化由于涉及尺寸、形状和拓扑三个层次的综合设计而成为优化问题中的难点,结合桁架结构提出了一个基于多个初始基结构的布局优化方法。以智能生成的、型式多样合理的基结构代替传统模型中的单一基结构,然后从不同基结构下的拓扑优化结果中找出最优设计。在克服传统基结构法有可能限制求解空间而丢失最优解这一局限性的同时,将形状和拓扑优化设计有效分离,降低了求解的难度,并且结合拓扑变化法,实现了桁架结构从选型生成、分析计算到优化设计的一体化智能设计过程。算例表明:利用该文提出的方法进行桁架结构的最优布局设计是可靠有效的。     

基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法

拓扑优化方法经过几十年的发展,已成功应用于机械工程、航空航天、电磁等领域的构型设计中。然而,由于制造工艺的限制,拓扑优化结果通常无法直接应用,需根据工艺要求进行修改,因此在拓扑优化模型中考虑制造约束成为重要的研究方向。其中,尺寸控制广泛存在于大部分制造工艺中,主要包括最小尺寸控制与最大尺寸控制。该文提出了一种基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法,构造了一种新的映射模型,对结构中不满足最大尺寸约束的中心单元密度进行惩罚,在不引入任何约束条件的情况下实现了对结构最大尺寸的控制。此外,该文将该方法中的惩罚转变为一个全局约束条件后与具有最小尺寸控制功能的拓扑优化鲁棒列式相结合,实现了对构件的最大最小尺寸协同控制。数值算例表明了该方法的有效性。     

自由阻尼层结构阻尼材料配置优化的拓扑敏度法

提出阻尼胞单元和阻尼拓扑敏度等概念，建立了基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则，并用于自由阻尼层结构振动控制中阻尼材料的配置优化。建立待控结构阻尼材料布局的拓扑基结构，计算各单元的阻尼拓扑敏度。再建立考虑重量目标及结构频响峰值约束的阻尼材料配置拓扑优化模型。根据所提出的阻尼材料拓扑优化准则，求解上述配置优化问题，确定阈值和各单元拓扑值。并用若干典型结构算例，验证所提出方法的正确性，讨论了阻尼材料布局拓扑基结构的规模与优化效率的关系。     

基于遗传算法的离散型结构拓扑优化设计

采用遗传算法求解包括桁架结构和框架结构的离散型结构拓扑优化问题。在遗传算法的基础上,通过引入拓扑变量并修改被删除杆件的材料弹性模量,提出了一个受多工况荷载作用,能同时考虑应力、稳定及位移等约束的离散型结构拓扑优化问题统一数学模型。该模型不但能同时适用于桁架结构和框架结构等离散型结构拓扑优化问题,而且还能解决奇异最优解问题。结合上述统一数学模型和遗传算法,给出了求解离散型结构拓扑优化问题的优化方法。算例结果表明,采用该文提出的拓扑优化方法可有效、方便地对桁架结构、框架结构等离散型结构进行拓扑优化设计。     

约束层阻尼短圆柱壳拓扑优化分析及实验研究

针对约束层阻尼短圆柱壳拓扑优化问题,采用基于模态应变能法的渐进结构优化算法（ESO）,引入独立网格滤波技术, 通过灵敏度分析,用ANSYS的参数化设计语言APDL编写拓扑优化程序,获得一定约束层阻尼材料用量的约束层阻尼最优拓扑构形,并对约束层阻尼材料的优化布局进行实验验证。研究表明该拓扑优化方法正确,用于短圆柱壳约束层阻尼材料布局优化具有较强的工程实用性。     

优化方法建立钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型

压杆-拉杆模型是复杂钢筋混凝土结构设计的标准方法之一,但很少扩展到浅梁的设计。钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型的建立方法很多,但由这些方法得到的压杆-拉杆模型是否能反映结构最本质的受力状况尚无定论。该文采用寻优能力强的拓扑优化算法——遗传演化结构优化算法(GESO)来构造钢筋混凝土梁的压杆-拉杆模型,同时为了确保所得结果的最优性,采用经典的Michell准则和试验方法判断和解释GESO算法的计算结果。该文以跨高比从7变化到1的简支梁和两跨连续深受弯构件为例证明了采用GESO算法能构造满足Michell准则的钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型,由该文总结出的钢筋混凝土梁的压杆-拉杆模型的规律有助于设计类似构件。     

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     

位移约束刚架拓扑优化的非线性有无复合体方法

为了提高基于物理模型的结构拓扑优化的寻优效率, 该文提出了非线性有无复合体, 以刚架结构在位移约束下的拓扑优化为例, 进行了结构重量目标函数极小化的数学模型建立和程序实现。与线性有无复合体不同, 非线性有无复合体是无限多个无穷小的“有单元”和“无单元”各自长度的非线性组合。由于每个梁单元“有”单元长度和“无”单元长度之和的不变性, 其拓扑变量可以用“有”单元的总长度予以表达。推导了结构重量、位移约束同结构拓扑变量的显式函数, 建立了优化模型。使用线性规划算法求解了相应的优化模型, 算例表明, 该文方法的寻优效率得到了提高。同作为数学变换的ICM(独立、连续和映射)方法比较, 该文提出的作为物理模型的方法, 二者在解决结构拓扑优化上具有异曲同工之效:后者的“有”单元长度的非线性关系替代了前者的单元重量、位移约束中的过滤函数。数学变换方法与物理模型方法的异同点更是耐人寻味。 方法     

基于等损伤的钢框架结构抗震性能优化

等损伤设计是指在地震作用下结构所有构件(楼层)发生同等程度的损伤而形成均匀的侧向变形,使所有结构构件的性能均能充分发挥。该文采用优化准则法发展了基于OpenSees平台的钢框架结构等损伤抗震设计方法。通过提取结构在强震下的构件损伤指数来获得损伤指数比列阵,进而定量地对损伤严重部位进行加强、对损伤较轻部位进行削弱;基于材料总造价恒定和体系约束条件,对所有构件进行重新调整。以一个8层钢框架结构作为原始结构,采用规范反应谱拟合的一条人工地震动作为输入,探讨了不同超松弛因子对优化结果的影响;通过大样本时程分析,对比了结构优化前后的层间位移角分布、整体损伤指标、楼层损伤分布和整体抗震能力,结果表明该文的优化方法能有效的提高结构的抗震能力。     

基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计

首先,提出了一种在结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路。在此基础上,结合ESO方法和应力灵敏度,建立了结构有限单元增、删的准则, 给出了一种新的拓扑优化算法。算例表明该方法能采用固定有限元网格中不同的初始优化结构就可获得优化拓扑。由于其概念上的简洁性和应用上的有效性,该方法具有一定的工程应用价值。     

输电塔结构离散变量优化设计方法

鉴于格构式输电塔结构具有杆件众多、型式复杂等显著特点,所以建设和发展既安全可靠,又经济合理的此类结构一直是工程界的研究热点和难点。因此,该文提出了一套完整的基于蚁群优化算法的输电塔结构离散变量优化设计方法。该方法是在结构的截面、拓扑和形状变量统一转化为离散变量的基础上,将4类不同层次的优化问题统一为不同规模的标准化旅行商问题,并最终采用蚁群算法实现输电塔结构的优化设计。通过对某一实际输电塔结构的优化设计表明:该文方法不仅可以简单高效的求解输电塔结构的截面、拓扑、形状和布局优化问题,而且清晰明确的阐述了不同优化内容的物理意义和优化准则,实现了优化方法和思路的统一。此外,基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化方法通用性强、易于程序化,而且具有非常好的工程应用前景。     

Robust topology optimization under multiple independent uncertainties of loading positions

The topology optimization problem of a continuum structure is further investigated under the independent position uncertainties of multiple external loads, which are now described with an interval vector of uncertain-but-bounded variables. In this study, the structural compliance is formulated with the quadratic Taylor series expansion of multiple loading positions. As a result, the objective gradient information to the topological variables can be evaluated efficiently upon an explicit quadratic expression as the loads deviate from their ideal application points. Based on the minimum (largest absolute) value of design sensitivities, which corresponds to the most sensitive compliance to the load position variations, a two-level optimization algorithm within the non-probabilistic approach is developed upon a gradient-based optimization method. The proposed framework is then performed to achieve the robust optimal configurations of four benchmark examples, and the final designs are compared comprehensively with the traditional topology optimizations under the loading point fixation. It will be observed that the present methodology can provide a remarkably different structural layout with the auxiliary components in the design domain to counteract the load position uncertainties. The numerical results also show that the present robust topology optimization can effectively prevent the structural performance from a noticeable deterioration than the deterministic optimization in the presence of load position disturbances.     

Simultaneous partial topology and size optimization of a wing structure using ant colony and gradient based methods

This article presents a methodology and process for a combined wing configuration partial topology and structure size optimization. It is aimed at achieving a minimum structural weight by optimizing the structure layout and structural component size simultaneously. This design optimization process contains two types of design variables and hence was divided into two sub-problems. One is structure layout topology to obtain an optimal number and location of spars with discrete integer design variables. Another is component size optimization with continuous design variables in the structure FE model. A multi city-layer ant colony optimization (MCLACO) method is proposed and applied to the topology sub-problem. A gradient based optimization method (GBOM) built in the MSC.NASTRAN SOL-200 module was employed in the component size optimization sub-problem. For each selected layout of the wing structure, a size optimization process is performed to obtain the optimum result and feedback to the layout topology process. The numerical example shows that the proposed MCLACO method and a combination with the GBOM are effective for solving such a wing structure optimization problem. The results also indicate that significant structural weight saving can be achieved.     

利用导重法进行结构轻量化设计

结构轻量化设计的目的是以最少的设计资源设计出性能合格的产品结构,以降低产品生产成本,提高产品性价比和市场竞争力。结构轻量化的实质是材料重量在结构几何空间内及构件间的合理分配。导重法是可用于产品结构轻量化的结构优化有效方法,它可适用于包括各类单元的各种产品结构构件尺寸优化与结构几何形状优化以及结构拓扑优化;其目标与约束可以涉及各种结构静动力性态。首先给出结构优化导重法用于结构轻量化设计的具有广泛一般性的数学模型及其求解方法。接着给出一种新的包络函数-方根包络函数,使数目庞大的应力与位移约束凝聚为单值强度约束与单值精度约束;还给出适用于多数产品结构轻量化设计的单性态约束优化实用模型与解法;最后给出两个产品结构轻量化的应用实例,验证了导重法用于轻量化设计的有效性与广泛适用性。     

适用于支护拓扑优化的双向渐进优化方法

利用近年来发展的渐进结构优化方法(ESO)的概念,发展了适用于支护拓扑优化问题的双向渐进结构优化方法(BESO)。本文方法能在优化过程中控制开孔数,有效地避免了棋盘格式的出现,提出了两个解决振荡问题的技巧。将加固后的岩体看成人工支护材料,可以把加固优化的问题转化为人工支护材料在原岩中的分布的拓扑优化问题。建立了防治底臌帮臌的准则及其敏感度,研究了均匀地基不同地应力条件给定加固量时使得底臌帮臌最小的洞室开挖支护的最优拓扑。最优设计的底臌量明显小于经验设计的底臌量,证明了方法的有效性。     

OPTIMAL STRUCTURAL TOPOLOGY DESIGN USING THE HOMOGENIZATION METHOD WITH MULTIPLE CONSTRAINTS

In applications of the homogenization method for optimal structural topology design the solution is obtained by solving the optimahty conditions directly. This reduces the computational burden by taking advantage of closed-form solutions but it restricts the optimization model to having only one constraint. The article develops a generalized class of convex approximation methods for mathematical programming that can be used for the optimal topology homogenization problem with multiple constraints in-eluded in the model, without substantial reduction in computational efficiency. A richer class of design models can be then addressed using the hotnogenization method. Design examples illustrate the performance of the proposed solution strategy.