基于遗传算法和拓扑优化的结构多孔洞损伤识别

鉴于拓扑优化和遗传算法在结构损伤识别中各自的优点,本文将遗传算法、有限元和拓扑优化三种方法相结合,提出了一种用于二维结构多损伤识别的新方法。这种方法将拓扑优化的设计变量和遗传算法的参数统一化,将拓扑优化中的目标函数和约束方程与遗传算法的适应度函数联系起来,并以拓扑优化的约束方程作为控制条件参与整个遗传运算的控制。采用二进制编码遗传算法代替连续变量拓扑优化的方式对发生孔洞损伤形式的二维结构进行损伤识别,避免了利用连续变量拓扑优化进行损伤识别时参数阈值的确定可能给识别结果带来的不良影响。通过对两个二维结构模型的多损伤识别仿真计算,结果显示本方法能够很好地识别二维结构中多个位置的损伤,对于仅用拓扑优化法很难识别的轻微孔洞损伤情况,该方法也能得出与实际情况吻合良好的结果。     

基于多分辨率-多边形单元建模策略的多材料结构动刚度拓扑优化方法

利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。     

基于Ansys Workbench的快装箱多目标优化设计

目的研究快装箱在压力作用下的静态特性,并对其结构进行多目标优化设计。方法通过Ansys Workbench建立快装箱的几何模型和有限元模型,对快装箱进行静态分析。以快装箱的各箱板厚度和各钢边厚度为设计变量,以快装箱的质量、最大变形量和最大等效应力为目标函数建立多目标优化的数学模型,对快装箱进行多目标优化设计,并且分析对比优化前后的结果。结果通过分析获得的优化前后快装箱的箱板厚度和钢边厚度都有所减小,在保证强度和刚度的条件下,使得总质量减少了9.018%。结论经分析快装箱的多目标优化设计是合理的,在满足使用要求的前提下,减少了总质量,节约了材料,降低了成本。     

3-URPR并联机构的逆运动学与可达工作空间分析

目的 通过对推动臂结构尺寸进行优化设计,得到在提高推动臂工作性能和力学性能的前提下减小质量的最优方案。方法 以推动臂的质量为优化目标,以推动臂受到的压力大小为约束条件,以推动臂的结构尺寸为优化设计参数,建立优化的数学模型。应用Workbench的多目标驱动优化工具结合多目标遗传算法的理论对推动臂的结构尺寸进行优化设计。结果 通过优化分析,结果表明,优化后模型的等效应力极大值减少了23.08%,结构总质量减少了7.42%。结论 通过对不同结构尺寸在其约束条件下的研究分析,达到了最优结构尺寸下推动臂工作性能和力学性能更优、部件总质量更小的目的,为以后粘箱机的结构优化设计提供了思路和参考。     

多工位高速锻造工艺优化技术研究现状

简要介绍了多工位高速锻造工艺及其特点,阐述了基于有限元模拟的锻造工艺优化技术的发展现状,并在此基础上根据多工位高速锻造工艺的特点,阐明了多工位高速锻造工艺优化技术研究中存在的主要问题,探索了多工位高速锻造工艺优化技术研究的方向.     

周期性多材料结构稳态热传导拓扑优化设计

提出一种考虑周期性约束的多材料结构稳态热传导拓扑优化设计方法。针对多材料结构,提出基于有序有理近似材料属性模型（ordered rational approximation of material properties,Ordered-RAMP）的多材料插值模型。以结构散热弱度最小化为目标函数,体积为约束条件,将设计区域划分为有限个相同的子多材料区域。通过重新分配单元散热弱度基值,实现周期性几何约束,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式。通过典型2D与3D数值算例,分析不同子区域个数对宏观结构与微观子区域多材料拓扑构型的影响。结果表明:所提方法可实现面向多材料结构的周期性微观构型设计,且各材料分布合理边界清晰,具有良好的稳健性;当子区域个数不同时,均可得到具有周期性的拓扑构型,且所获拓扑形式具有差异性。     

宏观结构性能约束下的材料微结构拓扑优化

为了设计周期性多孔钢或钢/铝复合材料优化微结构,基于独立连续映射法,建立了以结构总质量最小化为目标,节点位移为约束的拓扑优化模型。假设宏观结构由多孔材料或复合材料组成,其等效特性采用均匀化理论计算得到。定义了微观材料拓扑变量,节点位移约束采用一阶泰勒展开近似。各种材料设计要求作为约束条件纳入到优化模型中。推导了节点位移和总质量的敏度表达式。采用基于求解偏微分的过滤方法消除了数值不稳定性。在二维数值算例中获得了各种满足设计要求的优化材料微结构。结果表明:提出的方法在材料微结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性。      

基于惯性释放多工况拓扑优化泡沫缓冲包装结构

目的 在跌落冲击工况下,对风管机包装泡沫进行优化设计,得到缓冲性能可靠的泡沫优化方案,以降低包装成本.方法 通过OptiStruct与LS-DYNA联合仿真,建立带有包装的风管机整机有限元模型,并通过跌落实验验证有限元模型的准确性.获取所有工况泡沫载荷响应;其次通过OptiStruct开展拓扑优化,同时施加多工况载荷,并以惯性释放法作为边界条件,最后得到满足所有跌落工况要求的轻量化优化方案.结果 新泡沫方案较原方案质量减少了30％,各跌落实验工况加速度峰值均有所下降,产品跌落实验合格;仿真与实验加速度峰值相似度达到90％以上,泡沫失效位置一致.结论 结构拓扑优化方法可以在保证包装结构可靠性的前提下,降低包装成本.     

具有多约束连续体结构仿生拓扑优化方法

通过浮动参考区间法分析具有多约束连续体结构拓扑优化问题。浮动区间法是指将结构的拓扑优化过程看作是骨骼重建过程,通过引入参考应变区间,将结构中所有各点处主应变绝对值落入参考应变区间作为重建平衡状态,当结构处于重建平衡状态时获得结构的最优材料分布。为了使得优化结果满足给定的性态约束,参考应变区间在优化迭代过程中须不断变化。讨论了几种常见性态约束对结构性能的要求。给出了结构具有多约束时优化问题的算法。数值算例表明该方法可行。     

随机参数平面连续体结构的频率拓扑优化设计

摘 要 研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构基频约束下的拓扑优化设计问题。以结构总质量均值极小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构基频概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构拓扑优化设计数学模型。利用代数综合法,导出了随机参数结构动力响应的均值和均方差的计算表达式。采用渐进结构优化的求解策略与方法,通过两个算例验证了文中模型及求解方法的合理性和可行性。     

胶印机滚筒结构的拓扑及尺寸优化设计

胶印机滚筒在印刷压力作用下的挠曲变形是影响印品质量的重要原因。以PZ1740胶印机橡皮滚筒为研究对象,提出了一种基于拓扑优化和尺寸优化的橡皮滚筒结构设计方法。建立了滚筒结构的二维拓扑模型,以应变能最小为目标,体积分数作为约束,得到滚筒结构的拓扑分布;在拓扑构型基础上,建立了滚筒结构的参数化模型,以挠曲变形最小为目标,结构质量作为约束条件进行尺寸优化,得到了滚筒具体的结构。优化分析结果表明,优化后的滚筒结构在质量约束的条件下有效地减小了挠曲变形,提出的方法在胶印机滚筒结构优化设计中可行且有效。     

Multi-material topology optimization of laminated composite beam cross sections

This paper presents a novel framework for simultaneous optimization of topology and laminate properties in structural design of laminated composite beam cross sections. The structural response of the beam is evaluated using a beam finite element model comprising a cross section analysis tool which is suitable for the analysis of anisotropic and inhomogeneous sections of arbitrary geometry. The optimization framework is based on a multi-material topology optimization model in which the design variables represent the amount of the given materials in the cross section. Existing material interpolation, penalization, and filtering schemes have been extended to accommodate any number of anisotropic materials. The methodology is applied to the optimal design of several laminated composite beams with different cross sections. Solutions are presented for a minimum compliance (maximum stiffness) problem with constraints on the weight, and the shear and mass center positions. The practical applicability of the method is illustrated by performing optimal design of an idealized wind turbine blade subjected to static loading of aerodynamic nature. The numerical results suggest that the proposed framework is suitable for simultaneous optimization of cross section topology and identification of optimal laminate properties in structural design of laminated composite beams.     

约束阻尼结构的改进准则法拓扑减振动力学优化

旨在为减振设计提供理论基础,研究约束阻尼结构拓扑动力学优化。以阻尼材料用量、振动特征方程、模态频率为约束,以多模态损耗因子倒数的加权和最小为目标,建立了约束阻尼结构拓扑优化模型,引入MAC因子控制结构的振型跃阶。在引入质量阵惩罚因子基础上推导出优化目标灵敏度。考虑到优化目标函数的非凸性,采用常规准则法(OC)寻优可能会使拓扑变量出现负值或陷入局部优化,故引入数学规划移动渐近技术对OC法进行改进,从而将全体拓扑变量纳入改进算法的优化迭代全过程。编程实现了约束阻尼板改进OC法拓扑动力学优化并对改进法性能进行了仿真。结果显示,改进算法可得到更合理的约束阻尼层构形,可使结构取得更佳减振效果。研究表明,改进算法迭代稳定性更好、寻优效率更高、更具全域最优性。     

Lightweight design of bus frames from multi-material topology optimization to cross-sectional size optimization

A comprehensive solution for bus frame design is proposed to bridge multi-material topology optimization and cross-sectional size optimization. Three types of variables (material, topology and size) and two types of constraints (static stiffness and frequencies) are considered to promote this practical design. For multi-material topology optimization, an ordered solid isotropic material with penalization interpolation is used to transform the multi-material selection problem into a pure topology optimization problem, without introducing new design variables. Then, based on the previously optimal topology result, cross-sectional sizes of the bus frame are optimized to further seek the least mass. Sequential linear programming is preferred to solve the two structural optimization problems. Finally, an engineering example verifies the effectiveness of the presented method, which bridges the gap between topology optimization and size optimization, and achieves a more lightweight bus frame than traditional single-material topology optimization.     

基于变频率区间约束的结构材料优化设计

针对频率约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出变频率区间约束的结构材料优化方法。借鉴均匀化及ICM(独立、连续、映射)方法,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出宏观单元等效质量矩阵及导数,进而获得频率一阶近似展开式。结合变频率区间约束思想,获得以结构质量为目标函数、频率为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型;采用对偶方法求解。通过算例验证该方法的有效性及可行性,表明考虑质量矩阵变化影响所得优化结果更合理。     

基于ANSYS的自行车车架拓扑优化设计

 为了寻求自行车车架的最佳结构形状,对其进行拓扑优化设计.首先介绍拓扑优化的研究现状和数学模型,接着应用有限元分析软件ANSYS 110对自行车车架进行拓扑优化设计,得出自行车车架的最佳结构形状为2个三角形,并对目前的自行车车架提出了改进措施.     

基于ICM法的高层建筑大型支撑体系拓扑优化

提出应用连续体结构拓扑优化ICM法对高层建筑大型支撑体系进行拓扑优化。针对高层建筑规范对结构刚度限值是以层间相对位移差形式给出、并结合结构拓扑优化特点,推导了相对位移差敏度分析的伴随法公式,有效提高了计算效率。应用ICM法建立位移约束下结构重量极小化的优化模型,与高层建筑规范对结构刚度限值要求的提法更符合,得到的最优拓扑完全满足规范要求。所提方法应用在概念设计阶段,提供了一种自动化的分析计算及优化设计工具,可以有效地弥补基于经验设计的不足。     

Topology optimization of composite material plate with respect to sound radiation

In this paper, topology optimization of composite material plate with respect to minimization of the sound power radiation has been studied. A new low noise design method based on topology optimization is proposed, which provides great guidance for acoustic designers. The structural vibrations are excited by external harmonic mechanical load with prescribed frequency and amplitude. The sound power is calculated using boundary element method. An extended solid isotropic material with penalization (SIMP) model is introduced for acoustic design sensitivity analysis in topology optimization, where the same penalization is applied for the stiffness and mass of the structural volume elements. Volumetric densities of stiffer material are chosen as design variables. Finally, taking a simple supported thin plate as a simulation example, the sound power radiation from structures subjected to forced vibration can be considerably reduced, leading to a reduction of 20 dB. It is shown that the optimal topology is easy to manufacture at low frequency, while as the loading frequency increases, the optimal topology shows a more and more complicated periodicity which makes it difficult to manufacture.     

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.