基于高效差分敏度的连续体静动态形状优化

总结归纳了连续体形状优化中的敏度分析方法,提出了近似—差分的敏度求解策略。该策略通过近似重分析对扰动结构进行快速分析,运用差分法进行计算得到结构响应量敏度值,从而克服了差分敏度求解计算量大的缺点,同时在结构小扰动情况下可保证近似结果精度。以可动边界关键点的虚拟位移为设计变量,建立连续体静动态形状优化模型。考察了不同类型约束下的形状优化算例,结果表明,所提方法和模型具有可行性和通用性。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计

通过对连续体结构柔顺机构的拓扑分析,提出了连续体柔顺机构拓扑优化方法,即同时考虑最大化的互应变能和应变能,即系统的刚度和柔度;建立其数学模型并用此分析其约束的敏度。     

连续体结构的多目标拓扑优化设计

为实现静动态多目标下连续体结构的拓扑优化设计,以静态柔顺度最小化和动态特征值最大化加权函数为目标,提出并建立静动态多目标下连续体结构拓扑优化模型,实现了相应的算法和算例。方法中采用(rational approximation of material properties,RAMP)方法对密度进行惩罚,利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,通过归一化目标函数有效地避免不同性质目标函数的量级差异。通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律,算例结果表明了该方法的有效性。     

谐响应下的连续体拓扑优化

用独立连续映射法建立了以关心自由度振幅平方和为约束、体积最小化为目标的连续体结构拓扑优化模型。采用伴随法求解得到关心自由度振幅平方和指标的敏度分析公式，并应用一阶泰勒展开对该指标进行显式表达。用数字图像过滤技术抑制棋盘格现象和消除网格依赖性问题。通过数值算例对不同激振频率、不同结构阻尼谐响应下的拓扑优化结果进行分析讨论。结果表明，独立连续映射法在处理谐响应下的拓扑优化问题上具有可行性和有效性。     

基于特征建模技术的CAD/CAE集成方法研究

采用基于特征的非流型建模技术提出了实现CAD／CAE集成系统的的新方法，方法通过建立和使用包括CAD和CAE系统中需要的全部不同类型几何模型的单一主模型，并通过选择操作实现了从主模型中同步快速提取适用于CAD的实体模型和适用于CAE的非流型模型。本方法还通过基于特征的多分辨率和多抽象建模技术实现了不同细节层的CAD模型和不同抽象层的CAE模型建立：     

建立透平叶片有限元分析模型的关键技术

针对在CAD下建立的实体模型转化为CAE模型所出现的问题，提出了将叶片各截面型线分成多段，以建立带多条边界曲线的实体模型，再用CAD＆CAE之间的标准图形接口和专用数据接口传递所建模型，最后采用该方法对某型号的压缩机叶片进行建模和应力分析。结果表明，该方法可以很好地实现在CAD下所建实体模型转化为有限元分析所需要的几何模型。     

基于均匀化理论的微小型柔性结构拓扑优化的敏度分析

介绍微小型柔性结构在ＭＥＭＳ中的应用前景及连续体结构拓扑优化的一般方法。在此基础上探讨利用均匀化理论,有限元及伴随变量法计算连续体结构拓扑优化敏度应的方法,并取得较为理想的数值计算结果。     

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。     

组合近似方法在结构优化中的应用

针对结构优化中结构分析计算量大的问题，基于组合近似重分析方法，提出了自适应近似重分析策略，即在满足指定近似精度时采用近似重分析，否则采用完全重分析。通过拓扑优化和形状优化算例，对自适应近似重分析和完全重分析优化结果进行了比较，结果表明，该策略在连续体拓扑优化和形状优化中具有可行性和通用性。     

三维CAD/CAE一体化的参数化动态有限元建模

提出了一种基于CAD参数化技术与CAD／CAE一体化技术的参数化动态有限元建模方法，该方法解决了三维实体有限元建模中几何模型的描述与驱动、参数联动、模型自动更新等一系列问题，为先进的参数化有限元分析与优化设计提供了关键技术基础；阐述了三维参数化动态有限元建模方法中的若干关键技术，包括具有典型意义的基于AutoCAD／MDT二次开发环境ObjectARX的CAD／CAE集成方法、复杂三维组合曲面网格全自动生成算法、复杂三维实体的四面体网格全自动生成算法、面向对象的有限元模型描述方法，以及有限元模型的参数驱动方法等；建立了一个三维参数化形状优化设计应用原型系统。     

基于ANSYS的汽油钻钻头有限元分析

利用CAD/CAE集成的方法完成了汽油钻钻头的CAD建模及有限元分析。首先以Pro/E为平台建立了钻头的三维参数化模型,经过模型简化以及对有限元的前处理,把所建立的三维CAD模型转化为有限元模型,并利用ANSYS对其进行有限元分析,为钻头的开发和优化设计提供了一定的参考依据。     

拓扑和形状集成优化设计

将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助设计加以有机集成,构建了优化设计模型;利用几何重构技术,拟合拓扑优化后的边界;在形状优化中,将设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立了边界节点移动速度场计算方法,有效地控制节点的运动,给出了相应的算法和计算表达式,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布使形状变为最佳.通过设计实例,证明了文中模型的合理性和方法的有效性.     

基于Pro/Engineer、Ansys的横车有限元分析

研究了某船尾门吊设备的关键部件--横车的结构设计和分析系统(CAD/CAE)集成,利用Pro/Engineer和Ansys软件分别作为设计系统和分析系统,采用IGES数据交换接口,对横车进行三维实体建模,得到了横车的位移、应变和应力分析结果,为横车的结构优化设计提供了可靠的分析数据.     

真空发生器的全流程CAD/CAE系统开发与应用

针对传统真空发生器研究存在的CAD/CAE数据转换精度损失和重复建模的问题,利用ANSYS Workbench平台开发面向真空发生器的全流程CAD/CAE系统,建立结构设计和仿真分析相关联的参数化模型,降低了模型的精度损失,避免了三维模型优化变更造成的重复建模问题,分析了真空发生器拉瓦尔喷管喉部直径、出口直径、扩张管直径、扩张段长度等结构参数对真空度的影响。结果表明:全流程CAD/CAE系统可实现“建模-仿真-修改-优化”的闭式循环,提高了仿真及优化的效率及可靠性。     

基于有限元的版辊磨床床身设计

介绍了版辊磨床床身的三维CAD造型方法和有限元处理方法 ;用有限元分析软件ANSYS对几种改进型床身进行了有限元动态分析 ,通过分析 ,确定了床身结构的最优设计方案。本文提出的利用CAD和CAE集成技术在虚拟环境下对版辊磨床床身进行开发设计的方法 ,对产品的动态优化设计具有指导意义。     

Efficient,high-resolution topology optimization method based on convolutional neural networks

Topology optimization is a pioneer design method that can provide various candidates with high mechanical properties. However, high resolution is desired for optimum structures, but it normally leads to a computationally intractable puzzle, especially for the solid isotropic material with penalization (SIMP) method. In this study, an efficient, high-resolution topology optimization method is developed based on the super-resolution convolutional neural network (SRCNN) technique in the framework of SIMP. SRCNN involves four processes, namely, refinement, path extraction and representation, nonlinear mapping, and image reconstruction. High computational efficiency is achieved with a pooling strategy that can balance the number of finite element analyses and the output mesh in the optimization process. A combined treatment method that uses 2D SRCNN is built as another speed-up strategy to reduce the high computational cost and memory requirements for 3D topology optimization problems. Typical examples show that the high-resolution topology optimization method using SRCNN demonstrates excellent applicability and high efficiency when used for 2D and 3D problems with arbitrary boundary conditions, any design domain shape, and varied load.     

驱动桥信息化设计系统框架研究

为改善驱动桥传统的设计方式,采用CAD/CAE集成技术和新型数据信息交换方法,以CAD/CAE软件为开发平台,数据库为数据管理工具,完成驱动桥的三维设计、有限元分析、动力学仿真和二维工程图样智能化的生成,最终实现驱动桥设计分析制造的虚拟化和一体化.     

二维图像的光亮度重构实体几何模型的神经网络法

三维表面重建技术具有广泛的应用前景，由二维图像的光亮度重构实体几何模型是工业制造中迫切需要研究的课题之一。本文给出了一种基于BP神经网络的新型反射模型，用于三维实体几何模型的恢复与重建，它是基于兰伯特(Lambertian)反射模型的改进算法，这一造型手段可用于CAD/CAE/CAM系统中，使得重建出的三维模型可以参与造型系统实体的基本运算和操作，共同推动CAD/CAE/CAM在制造业信息化领域的技术进步。从实例表明该算法较传统的算法更快和更精确。     

有限元网格的圆角过渡特征提取及网格修改

根据过渡曲面的曲率特性，提出了一种有限元网格的圆角过渡特征提取及网格局部修改算法。通过曲率估算、过渡区域圆弧识别和圆弧分组等步骤，计算出一系列截面轮廓线来描述圆角过渡特征，同时将过渡区域网格从模型中提取出来。直接调整圆弧半径，快捷、准确地修改网格模型中等半径及变半径过渡区域网格。应用该算法，能够在有限元网格模型中直接修改零件或模具的过渡圆角形状，提高设计与CAE分析的效率。