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...     

ESO在2-D结构模型优化中的改进及应用

针对ESO在2-D结构模型优化中出现的畸变单元以及优化结果可能落入局部最优问题,提出2种算法。其一,基于畸变单元特征的筛选和删除算法。畸变单元的修正只需通过一个参数控制,该参数由其周围单元的联接个数决定;其二,通过区间逼近算法确定满足单元删除判定条件所对应的最小初始删除率R_(0min),以该删除率作为起始值,通过设定一定大小的增量确定多个初始删除率R_0。将以上算法植入到原有ESO优化步骤中,分别以得到的不同初始删除率开始优化,根据性能参数从优化得到的多个拓扑结构中筛选出可用结构。对多个2-D结构拓扑优化表明,改进的ESO方法在工程适应性和稳定性上优于现有ESO方法,且避免了单一结果落入局部最优解的不足。     

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%。     

舰载铸铝密闭机柜优化分析

刚强度/重量比最优是舰载铸铝密闭机柜的设计目标。为满足设计要求,对机柜进行了结构优化分析。采用拓扑优化方法确定了机柜加强筋布局;通过手工优化和有限元刚强度分析计算,确定了加强筋截面参数、板厚等具体设计参数。结果表明该机柜动态特性可满足设计要求。     

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。     

基于变密度法的大型天线系统支撑结构优化设计

大型天线支撑结构的合理设计对满足系统刚强度、轴系精度具有十分重要的意义。基于变密度法的拓扑优化方法根据约束条件和目标函数确定结构内材料最优分布,是合理进行支撑结构内部加强筋设计的一种行之有效方法。推导了以位移为约束,结构质量为优化目标变密度拓扑优化模型;针对某大型天线系统的支撑结构原设计方案中质量较大、结构内加强筋设计不合理出现局部应力集中等问题,设计该结构的三维拓扑优化域,运用该模型以天线系统允许的最小变形为约束条件,以质量最轻为目标进行三维支撑结构的拓扑优化设计,结合载荷传递路径,提出大型天线系统支撑结构内部加强筋设计方案,并采用尺寸优化方法对支撑结构外表面的上支架、底座等位置的板筋厚度进行优化,确定了支撑结构的最终优化方案。经验证,该结构在原方案的基础上减重12.5%,且有效地改善了力传递特性,消除了应力集中现象。     

电动轿车电池箱体轻量化研究

提出一种形貌优化的电动轿车电池箱体轻量化设计方法。运用CAE有限元分析软件完成了电池箱体下板的单元离散、结构分析和形貌优化整个过程。以最大节点位移和最大单元应力为约束条件,分别以自定义多目标优化方程和单元总应变能为目标函数,完成了电池箱体下板形貌优化,获得了相应的加强筋布局方案,得出电池箱体优化后的结构形式。经分析计算,改进后的电池箱体下板结构力学特性更趋合理,重量减小61.39%,实现了轻量化设计的目的。     

基于单元材料属性更改的结构渐进拓扑优化方法

提出了一种基于单元材料特性更改的结构渐进拓扑优化方法,通过定义设计区域内单元的存在状态为设计变量,以结构的材料用量为约束条件,实现了线弹性结构拓扑优化设计。该方法采用承载能力很弱的各向同性实体单元(弹性模量和密度均很小)代替结构实体单元,实现单元的拓扑变化,即单元的删除是将实体单元改变为弹性模量和密度很小的单元。单元删除取决于由灵敏度分析得到的每个单元对结构性能的贡献。同时结合了灵敏度再分配技术控制棋盘格式,使各单元对结构性能的贡献或影响因子实现平滑过渡。算例表明,本文的单元材料特性更改的结构渐近拓扑优化方法与灵敏度再分配棋盘格式控制技术相结合的方法,可以得到边界清晰、结构合理的拓扑优化构形。     

燃油箱加强筋结构优化研究

运用形貌优化软件Tosca,以最大化全局刚度为目标,确定了油箱底部加强筋分布位置,随后集成CATIA、HyperMesh和ABAQUS多种软件于Isight软件中,运用DOE分析筋各参数对油箱变形的影响,以箱体变形最小为目标,获得满足生产工艺的加强筋参数。结果表明:加强筋参数深度H、宽度L、底部倒角R1和顶部倒角R2对油箱底部变形具有正效应,参数拔模角度T具有负效应,且深度H及宽度L对变形结果影响最大。通过软件优化,燃油箱底部变形减小了28.17%,研究结果为加强筋设计和结构参数化建模提供一定的参考价值。     

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.     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

主应力场驱动的复杂薄壁件刚度增强方法

针对传统井字形加强筋等加强方式在复杂薄壁件的刚度增强效果并不总是最优的问题,提出了一种复杂薄壁件的刚度增强方法。探究了基于主应力场模型的王莲筋脉布局的仿生原理,提出了主应力场驱动的复杂薄壁件轻量化刚度增强优化方法。实验结果表明,与井字形加强筋结构相比,结构质量基本相同时,该方法生成的复杂薄壁件的比刚度增大33%。     

Free vibration and buckling response of hat-stiffened composite panels under general loading

The paper presents finite element free vibration and buckling analysis of laminated hat-stiffened shallow and deep shells using arbitrarily oriented stiffener formulation. Modified approach for modelling the curved stiffener is implemented using necessary transformations. A simplified stiffener formulation is presented to accommodate various shapes of stiffener shapes in developing the rigidity matrix for the finite element formulation. Investigation has been carried out on free vibration and buckling analyses of laminated composite stiffened shell structures with laminated open section (rectangular or ‘T’ shaped) and closed section (‘hat’ shaped) stiffeners. Parametric study on the hat-stiffened panels for the free vibration and buckling analyses confirms that the closed section stiffener being torsionally rigid is found to show better performance over open section stiffeners.     

铺丝成形复合材料格栅筋条的纤维形态与弯曲性能评价

为进一步提高复合材料格栅筋条结构承载效率,提出了基于“剪断-续铺”的格栅节点纤维形态调控方法,采用显微观察、有限元仿真、试验验证的手段,研究了不同剪断续铺层含量和分布位置对复合材料格栅节点处纤维形态和格栅筋条弯曲性能的影响。结果表明,复合材料格栅筋条铺丝成形过程中,合理的非连续铺层在提高筋条极限弯曲载荷的同时,还会在其内部引入伪韧性弯曲行为。仿真结果与试验结果误差小于8%,具有良好的一致性。利用建立的有限元模型分析了含非连续铺层的格栅结构失效机理。综合分析非连续铺层对格栅节点纤维形态、格栅结构弯曲载荷承载能力和力学行为的影响,对于常见格栅筋条,其最优的格栅筋条节点非连续层含量为25%且在节点顶部集中分布。     

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。     

考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计

三明治阻尼复合结构的力学性能取决于阻尼层材料的性能,综合考虑该结构的阻尼性能和可制造性要求,提出了一种面向结构宏观性能并考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计方法。以最大化结构模态阻尼比为目标,考虑微结构刚度相材料的连接性,通过组合强制性连接约束法和非线性扩散法,构建了连接性约束下的阻尼复合材料微结构的优化设计模型,并结合3D打印技术实现了三明治阻尼复合结构的制造。运用所提方法对典型结构进行优化设计,得到了刚度相保持连接的阻尼复合结构,且优化后的结构阻尼变大,结构的频率响应变小,实现了三明治阻尼复合结构材料结构设计制造协同优化设计。仿真和实验结果表明,在微结构上存在最优的阻尼材料体积分数使优化后的三明治结构频率响应最小。     

基于子结构的宏微结构协同优化方法

利用子结构自由度的缩减实现结构宏微观的一体化设计,需要预先建立不同子结构构型的样本。宏观结构优化时只能在预定的微观构型中插值,限制了结构宏微观的优化空间。结合子结构自由度缩减与反求理论,针对周期性结构的设计提出了结构的宏微观协同设计方法。利用固体各向同性材料惩罚(SIMP)方法和子结构方法,构建了基于子结构的周期性结构宏微观协同设计框架;分析了宏观结构与微观周期性单胞的材料体积变化关联关系,并给出了两个尺度上的惩罚因子、变量过滤半径等优化参数的匹配。在此基础上,结合传统的结构柔度最小优化模型,计算了设计变量在宏观结构、微观周期性结构的灵敏度值,实现了宏微结构的协同设计。通过悬臂梁结构的设计,验证了所提方法的有效性。     

基于结构和性能相似度分析函数的机械产品优化设计方法

从结构设计角度出发,分析了主动再制造模式下的产品服役性能要求及其关键零部件的设计需求。通过分析设计参数与服役性能的映射关系,采用支持向量机（SVM）方法构建了性能相似度分析函数。基于结构和性能相似度分析函数,提出了面向主动再制造的零部件结构优化设计方法,实现对再制造时域的优化调整。最后以叶轮零件为例,验证了所提方法的有效性和可行性。