汽车车身静态拓扑参数综合优化设计

在单元灵敏度分析的基础上,提出汽车车身框架结构的静态拓扑参数综合优化方法.在优化过程中,先将单元灵敏度计算公式通过截面特性加权变成拓扑参数再修改灵敏度的分析方法,并提出避免载荷病态的灵敏度复合方法来处理多裁荷工况.其次根据设计要求对杆件进行分组,并将可选的梁截面根据属性大小进行编号.最后根据综合灵敏度的大小修改对应组的梁截面特性编号.将所提的方法应用于汽车车身轻量化设计中,得到有效的优化结构.     

基于ESO方法的梁形状拓扑优化

基于渐进结构均匀化拓扑优化的方法,以体积为目标函数,建立了梁结构的不同布局的拓扑优化模型.利用ESO方法的思想理论推导出梁结构拓扑优化的数学模型,并借助于ANSYS软件平台,利用APDL语言实现了优化算法.数值算例验证了该方法的可行性和有效性,它可减少设计变量的数目,提高求解效率.     

运用拓扑优化的结构损伤定位

以结构共振频率和结构某点的反共振频率为基础,对拓扑优化中的渐进结构优化法应用于结构损伤定位的可行性进行了研究。基于结构共振频率和反共振频率的灵敏度分析,建立了损伤定位的数学模型,提出了利用渐进结构优化法进行损伤定位的策略。针对单一和多处损伤结构,分别给出了损伤定位的数值算例,对不同的损伤结构予以讨论,并准确识别出了损伤位置。结果表明,在已经测得结构损伤前后共振频率和反共振频率的基础上,渐进结构优化法能够在整个结构区域内寻找损伤点,有较好的搜寻效果。     

大展弦比机翼结构拓扑优化研究

以六面体固支结构为小构件模型,研究了基本渐进结构优化方法(ESO)在简单结构拓扑优化中的应用,并且把改进的ESO算法应用到大展弦比机翼结构拓扑优化中.结果表明:(1)基本ESO算法在简单拓扑优化中具有算法简单、容易实现的优点;(2)基本ESO算法针对大辰弦比机翼的拓扑优化研究具有一定的局限性,需要进行改进;(3)应用改进后的ESO算法对大展弦比机翼进行拓扑优化可以得到合理的优化结构.     

基于显式函数的位移约束板结构拓扑优化方法

显式函数优化模型被认为可以极大地提高计算效率,显式近似是结构优化建模的追求目标.在应变能灵敏度分析和渐进结构优化方法(evolutionary structural optimization,ESO)的基础上,提出板结构位移约束下的显式函数拓扑优化方法.在优化过程中,首先将单元修改引起的位移变化转变为结构应变能灵敏度....     

一种基于ESO算法的结构拓扑优化方法

ESO和SIMP是两种主流的结构拓扑优化方法,其中后者被广泛地应用在商用有限元软件(例如MSC.Nastran)的拓扑优化模块中.比较了两种算法的基本原理,并且基于ESO算法,选择Matlab和MSC.Nastran作为计算平台,开发了二者的数据接口,从而实践了一种方便易行的拓扑优化方法.通过一个典型薄壁件的算例,将该优化方法和MSC.Nastran得到的结果进行比较,证明该方法优化的结构在等强度条件下比后者轻5.1%,在等质量条件下单元最大应力比后者小13.8%,验证了该方法的可靠性和有效性.     

机车车辆端部结构拓扑-参数一体化优化方法

拓扑优化方法广泛用于获取结构的优化构型,而参数优化方法用于具体结构参数的取优,为了整合这两种方法的优势并提供一体化优化方案,以机车车辆端部结构被动安全性为研究对象,提出一套可以同时考虑静态和动态载荷作用,适用于大尺寸结构的拓扑-参数优化方法。该方法的拓扑优化部分采用缩放能量权重的混合元胞自动机方法对端部结构进行综合耐撞性和刚度评估的拓扑优化设计,有效解决拓扑优化多工况中由于能量差异而导致的结果偏差;参数优化部分结合网格变形技术和自适应模拟退火优化算法对结构进行给定接触力约束条件下的参数优化。具体算例结果表明,利用该方法优化后机车车辆在正面碰撞中的关键接触力峰值下降26.2%～46.3%,变形模式更趋于合理;在侧翻碰撞中乘客生存区间的上下部安全距离分别增加24.8%和12.8%。     

双向渐进结构拓扑优化设计研究

双向渐进结构优化法（BESO）是近年来兴起的一种懈决各类结构优化问题的数值方法。其原理是通过同时删除和增补单元,使剩下的结构逐渐趋于优化。文章提出了基于应力约束的渐进结构优化方法,与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便,并通过算例证明该方法的有效性和可行性。     

连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究

为实现以静态多工况下刚度和动态特征值为目标函数的拓扑优化结构设计,提出一种连续体结构的静动态多目标拓扑优化模型.以平均柔度最小化和平均特征值最大化为目标,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,根据决定函数大小来选择最优的妥协解,并且对目标函数进行归一化,消除不同性质目标函数在数量级上的差异.拓扑优化采用同体各向同性材料插值方法,将移动近似算法用于多目标拓扑优化问题的求解,并且用过滤求解技术避免拓扑优化中数值不稳定性现象.数值算例结果表明,文中提出的方法在连续体的静动态多目标拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

具有位移和频率约束的连续体结构拓扑优化的一种混合方法

研究位移和频率约束下连续体结构的拓扑优化问题,充分利用优化准则法的特点,并有效结合ICM(independent, continuous, mapping)方法建模、独立灵敏度分析、滤波、灵敏度再分配、基于均值的两端分化策略和数学形态学的处理等多个步骤进行求解.数值算例的结果表明文中方法计算效率高,优化结果较稳定、合理.     

连续结构拓扑优化的一种简单实现

通过基结构的方式,给出一种连续结构拓扑优化的简单方法。该方法通过比较相邻两次迭代过程中结构各单元的性能指标,计算出下一迭代步中的优化变量值,基结构中多余的单元被删除,从而获得结构的最优拓扑构型。利用该计算思路,分别介绍von Mises应力和应变能约束下连续结构的拓扑优化方法,通过若干数值算例验证所给方法是有效和可行的。     

桁架结构拓扑优化的功极射法及其全局收敛性

功—重量分配准则是严格按照不等式Kuhn-Tucker的条件极值理论推导得到的。它说明,在功约束下对于节点受外力载荷作用的桁架结构,各分结构重量应按其承担外力功的大小来正比分配,才能达到最优。该准则能识别不承受外载荷的杆单元,适合用于桁架结构的拓扑优化。功极射法是利用功—重量分配准则以及设计变量的等比变换与功函数一阶偏导数所存在的特定关系构造的,它包括三个基本步骤,即确定当前乘子、求解功准则方程组和做射线步。由功—重量分配准则所导出的单元删除准则,是结合各杆承担功的比例以及相对于最大应力绝对值的应力偏差大小作为是否删除单元的判据。综合运用位移虚功法与矩阵位移法讨论设计变量的等比变换对求解式谱半径的影响,证明功极射法所用的迭代求解式具有全局收敛性,并用三杆桁架结构的解析实例加以验证。多工况下三杆和十杆桁架结构的算例表明,功极射法可有效地用于桁架结构的拓扑优化。     

基于可靠性的连续体结构拓扑优化设计

建立水平集函数为设计变量、刚度极小化为目标、具有可靠性约束的连续体结构拓扑优化模型,并提出相应的优化算法.文中提出的基于可靠性的结构拓扑优化算法方法分为两个步骤,结构可靠性分析和结构拓扑优化.可靠性分析采用计算简便、效率高的一次二阶矩法,结构拓扑优化设计则应用稳定高效、最优结构清晰的水平集方法.最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,表明文中提出的方法既简单又有效.     

随机参数平面刚架结构频率特性分析的随机因子法

对物理和几何参数均为随机变量的平面刚架结构,提出频率特性数字特征计算的随机因子法。首先将结构的刚度矩阵分解为各参数因子幂相等的矩阵之和形式,再由求解结构频率的瑞利商公式出发,将结构频率展成部分频率分量和的形式,利用求解随机函数数字特征的代数综合法求解结构频率的数字特征,并对矩形截面梁给出具体的计算公式,通过算例与其精确解及数值模拟结果的比较,验证方法的可行、有效和正确性。     

应力约束拓扑优化的内力一阶近似方法

为解决应力约束下结构拓扑优化问题中应力近似显式计算量大、效率低的问题,提出采用内力一阶近似的方式对应力约束进行近似处理。并与满应力方法(即内力零阶近似)、应力倒变量一阶近似两种方法进行应力近似好坏及优化求解效率等对比。为更清晰地比较不同应力近似方法在优化求解过程中的设计变量、目标函数及约束等迭代历史,采用变量连接技术减少应力约束拓扑优化算例的设计变量数目。拓扑优化结果表明:采用内力一阶近似的方式对应力约束进行近似处理较其它两种应力近似方式效果更好,优化迭代次数最少,求解效率最高,得到的最优结构最轻。     

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%。     

基于固有振型的非确定性振动结构稳健拓扑优化

考虑结构材料弹性模量和质量密度的随机性,构建以期望固有振型为目标的振动结构稳健拓扑优化模型,其中引入加权系数构建包括原目标函数均值及其标准差的新目标函数,引入原约束函数的标准差及满足约束的概率指标作为稳健性约束条件.利用Monte Carlo模拟法求目标函数和约束函数的均值和方差.在计算目标函数和约束函数对设计变量灵敏度的基础上,采用序列线性规划方法进行优化求解.两个数值算例及其结果验证所建模型的合理性和方法的有效性.     

设计相关动压力作用下连续体结构拓扑优化

针对动压力作用下连续体结构拓扑优化问题,文中以结构动柔顺度为目标,以材料体积为约束,建立拓扑优化模型.该优化问题作为一般动力学拓扑优化问题的延伸,其动压力载荷不仅随着时间简谐变化,而且随着结构拓扑和形状的变化而改变力的作用点和方向.文中提出一种基于单元的边界搜索方法,简便而准确地获得优化过程中的压力加载边界.同时采用RAMP(rational approximation of material properties)方法消除局部模态现象.数值算例表明,采用这种新的边界搜索方法,结合RAMP方法处理此类问题是有效的.