基于面光滑有限元的复杂三维结构拓扑优化

为了增强拓扑优化计算对任意复杂模型的适应性,改进基于线性四面体有限元的拓扑优化结果,引入了一种新型高精度的基于面光滑有限元模型(FS-FEM)来进行拓扑优化,通过每次迭代时提供很好的梯度解及位移解,从而达到改善拓扑优化结果的目的。在基于面光滑有限元模型的拓扑优化中,以柔度最小作为目标函数,建立了基于固体各向同性材料惩罚插值(SIMP)的拓扑优化数学模型,该数学模型通过最优准则进行求解。多个不同载荷的拓扑优化数值算例说明,采用基于面光滑有限元进行拓扑优化,结果都能够单调收敛,且采用该方法建立的拓扑优化模型能抑制棋盘格现象。与商业软件OptiStruct的计算比较表明,该方法相比有限元方法能得到更合理的拓扑结构。     

面向飞机颤振模型设计的结构拓扑优化研究

飞机颤振模型的结构设计是一个以固有频率为目标、兼具结构相似要求的反求问题。针对拓扑优化方法只能得到不规则孔洞而无法满足模型相似要求的难题,提出了一种含规则几何约束的结构拓扑优化方法,并将基于单元材料特性更改的方法与双向渐进结构法相结合,利用敏度再分配方法,实现了以频率为目标、具有规则孔洞的结构拓扑优化,且有效抑制了优化中的棋盘格式和局部模态现象。某飞机机身壁板的优化算例证明,该方法能设计出具有给定固有频率的结构,并使之与原机身具有一定的结构相似性。     

一种考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法

固定过滤半径的敏度过滤方法可以有效解决棋盘格现象和网格依赖性,但处理后拓扑优化结果普遍存在边界扩散现象,图形边缘存在大量的灰度单元。提出了一种考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法,即正向补偿相对密度为0.5~1的单元,反向补偿相对密度为0~0.5的单元,同时在拓扑优化计算的后期逐步缩小过滤半径至1。结合固体各向同性惩罚微结构模型,利用经典结构柔度最小化算例验证可行性。研究结果表明,考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法能够消除棋盘格现象,体现了网格无关性,拓扑优化结果具有清晰的边界,且优化效率和优化效果明显提升。     

高精密注塑机定模板拓扑优化

结合工程实际应用情况,基于有限元-拓扑优化方法,利用优化准则算法,按照变密度法求解拓扑优化的固体各向同性惩罚微结构模型(SIMP模型),利用HyperWorks和ANSYS软件对注塑机定模板进行拓扑优化分析,得到更合理的材料分布。通过迭代分析确定了最佳的约束函数、惩罚因子,分析了棋盘格式出现的情况和抑制方法.在保证强度和刚度情况下,相对于传统设计结果,应力减小了3.5%,应变增加了16.3%,但在允许的范围之内,重量减轻9.7%,实现了结构轻量化目标,得到了适合工程实际应用的优化模型。     

利用窗函数解决连续体结构拓扑优化中的棋盘格式问题

介绍了连续体结构拓扑优化中的棋盘格式问题,以及目前解决这一问题常用的几种方法。在此基础上提出了采用高斯窗函数解决棋盘格式问题的新方法,并从理论上证明了这一方法的可行性。数值计算结果较理想。     

起重机箱形梁静刚度拓扑优化设计研究

起重机是广泛使用的起重设备,而起重机箱型梁的重量占起重机总重的一半还要多,起重机箱型梁结构的性能影响到整个起重机的性能,故对其进行合理的优化设计是很必要的。文章依据有限元理论和拓扑优化思想,以30t双梁桥式起重机箱形梁为研究对象,选用固体各向同性微结构(SIMP)材料插值模型,建立体积为约束柔顺度最小化的优化模型,采用OC准则求解得到最优拓扑结构,对拓扑优化中出现的棋盘格现象和网格依赖性选择灵敏度过滤进行处理,并通过编写的MATLAB程序实现箱形梁的拓扑优化,使箱形梁结构整体刚度得到提高。     

基于无棋盘格约束的柔顺机构拓扑优化方法

提出一种基于无棋盘格约束的柔顺机构拓扑优化设计方法。首先建立具有体积约束的拓扑优化模型,然后分析拓扑优化结果中的棋盘格现象,再建立消除棋盘格的约束条件,在此基础上建立具有消除棋盘格的设计变量更新最佳准则,通过拉格朗日乘子法,推导无棋盘格约束、体积约束和优化目标的灵敏度。通过这种方式,使无棋盘格约束在逐次迭代中改善棋盘格现象,从而最终得到理想的0-1无棋盘格拓扑。最后,以柔顺机构拓扑设计问题为例,进行了算法验证,结果表明本文算法能够实现较好的0-1无棋盘格收敛效果。     

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。     

面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究

为了更好地解决结构拓扑优化的工程实用化问题,研究了一种面向制造的连续体结构拓扑优化设计的方法,即面向制造的分级拓扑优化方法。该方法可使优化结果同时满足设计性能和制造性能的要求。为消除数值不稳定,研究了密度和敏度混合高斯函数过滤算法,该算法能有效解决棋盘格式及网格依赖等数值不稳定问题,并能获得良好的优化结果。利用研究的分级拓扑优化方法和有关算法,对经典算例进行计算,所得结果验证了该方法的可行性和有效性。     

基于Optistruct的重型梁结构优化设计

针对重型梁结构的拓扑优化设计,引用了一种基于SIMP变密度插值法的单目标拓扑优化方法。在限定拔模方向的环境下使用Optistruct进行拓扑优化,通过罚函数对相对密度进行惩罚,得到拓扑优化结果。根据优化结果,对梁截面进行二次工艺强化,使刚度、强度、轻量化三者协调统一。