结构畸变比能处理的应力约束全局化的连续体结构拓扑优化

该文根据von Mises强度准则的畸变比能本质,计算单元畸变比能替代应力约束;依照应力全局化策略,定义结构畸变比能约束概念,求解应力约束下重量最小的连续体结构拓扑优化问题,急剧地减少了应力约束。构造许用应力和结构最大应力的比值含参数幂函数,对约束限进行动态修正。基于ICM(Independent Continuous and Mapping,独立、连续、映射)方法,采用指数型快滤函数建立了结构在畸变比能约束下的结构拓扑优化模型,并选取精确映射下的序列二次规划进行求解。数值算例表明:采用修正的结构畸变比能的应力全局化策略,对于结构拓扑优化问题的求解是有用和高效的。该文提出的方法对解决工况间存在病态载荷的问题也是有益的。     

应力约束全局化处理的连续体结构ICM拓扑优化方法

由于应力约束按单元计,加之多工况,使得连续体结构拓扑优化由于约束数目太多,导致应力敏度分析计算量太大而无法接受。基于第四强度理论提出了应力约束条件全局化处理的方法,化为全局替代约束——总应变能约束,用ICM方法对总应变能约束条件下的连续体结构拓扑优化进行建模及求解,其过程分为三步:第一步选择最大应变能对应的工况,在给定重量下求出最小结构总应变能;第二步提出一个数值经验公式,借助第一步的结果,计算出各工况下的许用总应变能;第三步以第二步计算出来的各工况的许用总应变能作为约束,以重量为目标建立模型并求解。顺便指出,第二步的处理方法可以处理载荷相差特别大的情况,即病态载荷情况。数值算例表明:全局性应力约束可以更好地得到传力路径,对于处理多工况问题具有优势。     

ICM应力全局化方法克服连续体拓扑优化的载荷病态

在连续体结构拓扑优化中,由于载荷通常非常复杂,存在一种类似于结构分析中总刚病态的载荷病态现象。引起载荷病态的原因是由于大多数拓扑优化算法没有考虑大载荷、小载荷间的不同影响,使得小载荷的传力路径在优化过程中消失。该文对载荷病态问题进行了剖析,并将其分为三种情况:1)多工况间有载荷病态,但工况内无载荷病态;2)仅在工况内有载荷病态;3)多工况间有载荷病态,同时某工况内也有载荷病态。为解决载荷病态问题,该文提出了应变能策略,利用应力全局化的ICM方法,逐一采用不同的补充方法解决了上述三种载荷病态问题。对多工况下应力约束的连续体结构拓扑优化问题,应力全局化意指基于第四强度理论将局部性应力约束转化为全局性的应变能约束。数值算例表明:全局性的应变能约束代替局部性应力约束可以更好地得到传力路径,并能更方便地处理各种复杂载荷病态问题。     

屈曲与应力约束下连续体结构的拓扑优化

基于ICM(独立、连续、映射)方法建立了以结构重量最小为目标,以屈曲临界力、应力同时为约束的连续体拓扑优化模型:采用独立的连续拓扑变量,借助泰勒展式、过滤函数将目标函数作二阶近似展开;借助瑞利商、泰勒展式、过滤函数将屈曲约束化为近似显函数;将应力这种局部性约束采用全局化策略进行处理,即借助第四强度理论、过滤函数将应力局部性约束转化为应变能约束,大大减少了灵敏度分析的计算量;将优化模型转化为对偶规划,减少了设计变量的数目,并利用序列二次规划求解,缩小了模型的求解规模。数值算例表明:该方法可以有效地解决屈曲与应力约束共同作用的连续体拓扑优化问题,能够得到合理的拓扑结构,并有较高的计算效率。     

位移约束刚架拓扑优化的非线性有无复合体方法

为了提高基于物理模型的结构拓扑优化的寻优效率, 该文提出了非线性有无复合体, 以刚架结构在位移约束下的拓扑优化为例, 进行了结构重量目标函数极小化的数学模型建立和程序实现。与线性有无复合体不同, 非线性有无复合体是无限多个无穷小的“有单元”和“无单元”各自长度的非线性组合。由于每个梁单元“有”单元长度和“无”单元长度之和的不变性, 其拓扑变量可以用“有”单元的总长度予以表达。推导了结构重量、位移约束同结构拓扑变量的显式函数, 建立了优化模型。使用线性规划算法求解了相应的优化模型, 算例表明, 该文方法的寻优效率得到了提高。同作为数学变换的ICM(独立、连续和映射)方法比较, 该文提出的作为物理模型的方法, 二者在解决结构拓扑优化上具有异曲同工之效：后者的“有”单元长度的非线性关系替代了前者的单元重量、位移约束中的过滤函数。数学变换方法与物理模型方法的异同点更是耐人寻味。 方法     

具有形状和应力约束的连续体结构拓扑优化及其在框架结构设计中的应用

本文研究了在形状和应力约束下的连续体结构拓扑优化问题,采用满应力法求解保证了应力约束的满足;根据对形状的要求,固定部分单元不被删除,强迫最优拓扑满足设计要求。对框架结构进行了计算,结果表明了算法的正确性。     

横向力作用下的悬臂桁架结构拓扑优化

研究了应力约束下最小重量悬臂梁桁架结构的拓扑优化设计。根据Michell理论,首先用解析方法和有限元方法建立满应力类桁架连续体结构。然后选择其中部分杆件形成离散桁架作为近最优结构,并建立桁架的拓扑优化解析表达式。采用解析方法证明最优拓扑结构的腹杆中间结点在节长的四分之一位置。最后采用解析和数值方法对自由端受集中力和侧边受均布力作用的桁架进一步拓扑优化,确定了桁架的节数和每节的长度,最后得到拓扑优化桁架结构。得到的拓扑优化桁架比工程上普遍采用的45°腹杆桁架的体积少20%以上。     

钢筋混凝土结构的应力拓扑优化方法研究

基于预测混凝土失效行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则,研究了进行钢筋混凝土结构配筋设计的应力拓扑优化方法。结合扩展的双材料密度惩罚模型,优化问题构造为以单元人工密度为设计变量、混凝土材料Drucker-Prager屈服函数为约束条件的钢筋用量最小化问题。为合理定义混凝土应力并防止应力奇异解现象,采用局部应力插值模型和ε-松弛方法对混凝土应力约束条件进行处理。推导约束函数的伴随法灵敏度计算公式,运用基于梯度的连续性优化算法求解优化问题。数值算例验证了所提优化模型的正确性及数值算法的有效性,并通过与传统最小柔顺性拓扑优化结果的比较,说明了该文方法能够充分利用混凝土的抗压能力和钢筋的抗拉能力,设计结果更为实用。     

考虑重叠过滤及稳定性约束的桁架拓扑优化方法

从工程实际的角度来说,一般不允许结构形式中包含重叠单元。目前桁架拓扑优化的基结构法在选定基节点的情况下一般不建重叠单元,这导致可行域缩小,使优化不能找到更优解,人为增删杆件缺乏科学依据。针对该问题,该文对重叠给出准确的数学描述,建立包含重叠杆的基结构,利用Heaviside函数将拓扑变量连续化处理,使之在优化过程中可以获取目标函数、约束函数的敏度信息,同时考虑在拓扑优化中加入基频约束以避免出现机构,并加入稳定性约束防止出现压杆失稳,通过优化模型实现重叠过滤。最后通过两个案例计算证明可以找到更优解,验证了该方法的有效性。     

基于相场函数的压电复合材料俘能器拓扑优化设计

提出了一种基于相场函数的压电俘能器拓扑优化设计方法,通过设计俘能器的材料分布提高其工作效率。其中,利用相场函数描述俘能器上压电材料与基体材料(环氧基树脂)的分布,并建立以相场函数节点值为设计变量,以特定频率激励下俘能器的能量转换因子最大化为目标的拓扑优化模型。该文给出了目标函数和约束函数的灵敏度分析,并采用移动渐近线方法对优化问题进行求解。数值算例验证了所提出的数学模型与设计方法的可行性和有效性。     

基于栅格和三角形拓扑的快速优化构网方法

点集三角化在ＣＡＤ,计算机图形学,有限元等领域有着广阔的应用,快速与优化是与之相关的两个重要问题。本文提出一种快速优化构网方法,在实现中的采用了基于栅格的离散点组织方式和基于三角形的数据结构,并给出了一些快速搜索和快速计算算法,本方法支持约束边的引入,并无需插入附加点。     

基于残余应力释放的航空结构件加工变形模型与结构优化方法

在毛坯成形过程中,材料力学性能的非均匀性导致铝合金厚板内产生残余应力,以致在后续切削加工过程中,随着材料的去除,残余应力的释放使得整体结构件发生变形,严重影响着整体结构件的尺寸稳定性。因此,定量化研究切削过程中残余应力释放的加工变形分析与预测是进行加工质量控制的核心环节,对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。通过铝厚板的材料去除转化为残余应力的释放,利用静力平衡条件将作用于整体结构件的残余应力等效为外力后,综合考虑铝厚板横向方向和轧制方向的残余应力,依据弯曲变形理论创新性地建立铝厚板内初始残余应力释放模型。残余应力释放模型不仅能够准确地计算整体结构件的加工变形,而且还能够方便地优化工艺参数完成加工变形的有效控制。根据模型计算值与有限元仿真值、实验测量值的相互比较,分析结果表明：无论是幅值还是变形曲线,计算值都与仿真值具有高度一致性,而与测量值相比,尽管在变形曲线上具有很好的吻合性,但由于残余应力的测量误差使得两者在幅值上亦存在一定误差。     

真实梁板壳局部应力分析的高性能边界元法

经过数十年的发展边界元法在学术界已被看成有限元法的重要补充,但是要使这种补充成为工程界的实际需要还必须用它解决一些有限元法和其他方法难以解决的问题,这就是要充分发挥其高精度的优势,对一些复杂问题得到可靠的结果。为此作者近年通过误差分析提出了一种高精度边界元法计算方案,它在没有解析解和其他数值解做比较的情况下也能求得边界元法的收敛解。这种新方法的一个重要应用领域就是真实梁板壳结构的局部应力分析,即考虑梁板壳结构边缘实际几何、和基座或周围构件联合进行三维高精度边界元分析。该文给出了两个二维高精度边界元分析的算例,一个是真实悬臂薄板梁的横向弯曲,另一个是承受内压的无限长加肋圆柱壳,其中前一个算例揭示了真实悬臂薄板梁端部的局部应力远高于由梁弯曲理论所得到的应力。该文同时建立了悬臂薄板梁三维分析的边界元模型,其边界自由度数已经超出了在微机上用常规边界元法能够求解的规模。因此必须将高精度边界元法结合快速算法才能胜任此类分析,这就是作者提出的高性能边界元法的含义。最后作者展望了这两个相关新领域将要开展的研究内容,希望起到抛砖引玉的作用。     

修正偶应力理论层合薄板稳定性模型及尺度效应

该文将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,提出各向异性的细观尺度的复合材料层合板的本构方程,基于虚功原理建立了各向异性修正偶应力理论并用于建立复合材料层合薄板偶应力理论稳定性模型。该理论的偶应力部分的转角不是独立变量(称为C1理论),对于各单层引入纤维和基体材料的不同的两个材料细观参数,建立了适用于层合板/夹层板的偶应力理论模型。该理论的应变不对称,但是,用于各向同性材料与修正偶应力理论等价。为了便于工程应用,忽略基体材料的细观长度参数,建立了各单层只含一个材料细观参数的偶应力层合薄板理论稳定性模型。算例表明建立的偶应力层合板模型能用于分析层合板稳定性的尺度效应。     

基于乘法定理和AL模型的风速风向联合概率分布的研究及应用

该文开展了风速风向联合概率分布的研究,以大理地区1971年~2017年47年间的风速日值数据资料为例,选用乘法定理和AL模型两种方法建立该地区风速风向联合概率分布。首先,对各风向以及全风向风速数据的最优概率分布进行研究;其次,分别基于谐波函数和混合von Mises分布对风向的概率密度进行拟合,并进一步基于乘法定理和Angular-Linear （AL）模型推导得出了风速风向联合概率密度函数;最后,对大理地区50年重现期内的极值风速进行预测。研究结果表明：Gumbel分布能更好地描述大理地区的风速分布规律,通过AL模型获得的风速风向联合概率密度函数明显优于基于乘法定理得到的联合概率密度函数;而忽略风向的影响将明显高估大理地区的极值风速。