基于应力的双向渐进结构拓扑优化设计

双向渐进结构优化法（BESO）是近年来兴起的一种解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。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。     

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。     

基于BESO方法的连续体结构动态特性多目标拓扑优化

为实现动态多目标下的拓扑优化结构设计,以结构动柔顺度最小化和固有频率最大化加权函数为目标,提出基于双向渐进结构优化方法(Bi-direction Evolutionary Structural Optimization, BESO)的连续体结构动态特性多目标拓扑优化方法。基于等效静载荷法(Equivalent Static Loads, ESL),将结构动刚度优化问题转化为多工步载荷作用下的线性静刚度优化问题,结合BESO方法实现结构多工况线性静态优化。分别归一化目标函数和灵敏度,避免不同性质目标函数及灵敏度的量级差异引起的数值奇异性。数值算例结果表明,结构体积约束、频率与动柔顺度综合目标均能渐进收敛于最优目标值,优化结构具有清晰的拓扑构型。随着柔顺度灵敏度、权重因子的减小,优化结构拓扑形式发生显著变化,其动刚度逐渐减小,而固有频率逐渐增加。所提出的频率-动刚度多目标拓扑优化方法能够提高结构动态特性,拓展了BESO方法对结构动力学拓扑优化问题的应用范围。     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

基于自适应p型有限元方法的双向渐进结构拓扑优化

针对拓扑优化过程中计算精度对优化结果的影响,将自适应p型有限元与双向渐进结构拓扑优化BESO(Bidirectional Evolutionary Structural Optimization)相结合,根据误差控制参数设置,通过单元能量误差分析,自适应地提高单元阶次,有效改善有限元计算精度,并采用灵敏度过滤算法和稳定策略,减轻了棋盘格和迭代振荡现象。通过最小柔度拓扑优化问题实例的计算,验证了该方法的可行性,结果表明所提出方法可在较粗糙的网格下提高拓扑优化计算精度,得到更高的优化效率和更好的优化结果。     

循环对称结构静力学渐进拓扑优化设计

采用双向渐进结构优化方法(BESO)研究循环对称结构拓扑优化设计问题.循环对称结构的几何特征无法划分为均匀一致的网格,造成单元灵敏度计算结果与单元体积直接相关,不同网格剖分后的单元体积分布将导致渐进优化过程中不同的单元去除顺序,最终使得优化结果具有单元体积依赖性.针对循环对称结构的特殊性,提出灵敏度密度新概念与消除非等体积单元棋盘格现象的体积加权灵敏度密度过滤新方法,大量算例表明这是一种有效的方法,同时优化结果也充分显示子结构单胞尺寸效应对优化构型的显著影响.     

基于ESO和BESO连续体结构拓扑优化分析

使用APDL参数化设计语言编写程序,利用ANSYS软件平台实现了对大型龙门工程机械横梁的拓扑优化。分析结果表明,双向渐进结构优化算法(BESO)迭代过程快,计算效率高,优化结构清晰。     

结合专家群体评估法的渐进结构优化算法

结构拓扑优化作为现在迅速发展的结构化设计的一个分支,已得到广泛应用。基于渐进结构优化(ESO)方法,结合灰色理论中的专家群体评估法,得到一种新的处理多目标优化的方法。首先使用线性加权法对一平面简支梁进行优化分析得到三组拓扑结构。然后运用该新方法对同一算例进行优化得到三组拓扑结构。并将最终拓扑结构进行对比。     

双向渐进结构优化法原理及其动力学优化研究

针对等效静载荷优化(ESLO)计算效率低、优化流程复杂的问题,将双向渐进结构法引入到等效静载荷优化中。以双向渐进结构法作为优化迭代环方法,对动态响应拓扑优化流程进行了改进,并重新定义了收敛准则;通过2个算例验证了该方法的可行性。研究结果表明,当设计循环次数n大于1时,所提出的方法每次设计外循环消耗的时间小于原始方法消耗的时间,因此整体优化时间减少了;说明该方法适用于结构动态响应拓扑优化,同时效率更高。     

基于双向进化遗传算法的汽车真空泵支架结构拓扑优化设计

基于渐进结构优化算法(ESO)、双向渐进结构优化算法(BESO)及遗传算法(GA),提出了一种新的、用于结构拓扑优化设计的算法:双向进化遗传算法(BGESO)。此算法从待优化的初始结构出发,以结构单元的应变能灵敏度分析为依据,用GA算法来实现新算法的双向进化。同时,使用ANSYS中的APDL参数化编程语言实现了双向进化遗传算法的编程,并将新算法的程序模块化。针对企业现生产的汽车真空泵支架需轻量化的技术要求,对支架进行了拓扑优化设计,依据优化结果,结合支架的加工工艺提出了结构的改进方案,使其质量减少了9.5%,并对新支架结构进行了有限元分析验证,验证结果显示,优化设计后的支架在应力、变形量及模态方面都满足其使用要求。。     

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。     

轻型货车EQ1060F车身的结构优化设计研究

主要研究轻型货车 EQ1 0 6 0 F驾驶室车身结构优化设计中的一些关键问题 ,包括结构有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析 ,选择了序列二次规划法用于结构优化问题且收敛效果较好。该研究为汽车车身设计提供了一条新的设计思路。     

薄壁覆盖件的结构优化设计

研究了薄壁覆盖件结构优化设计中的一些关键技术，包括薄壁覆盖件的结构有限分析、优化方法选择、敏度结构重分析，选择了序列二次规划法用于结构优化问题，睡敛效果较好 。以汽车车身为例，对其进行了结构优化设计，计算结果适用，所编制的软件（ＯＰＴＳＨＥＥＴ）使用方便可靠。     

A study on ranked bidirectional evolutionary structural optimization (R-BESO) method for fully stressed structure design based on displacement sensitivity

Evolutionary Structural Optimization (ESO) method is well known as one of several topology optimization methods and has been applied to a lot of optimization problems. While ESO method evolves the given model into an optimum by subtracting several elements, in AESO method elements are added in a previous step of the evolutionary procedure. And in BESO (Bidirectional ESO) method, some elements are either generated or eliminated from a previous model of evolutionary procedure. In this paper, Ranked Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (R-BESO) method is introduced as one of the topology optimization methods using an evolutionary algorithm and is applied to several optimization problems. The method can get optimum topologies of the structures throughout fewer iterations comparing with previous several methods based on ESO. R-BESO method is similar to BESO method except that elements are generated near a candidate element according to the rank calculated by sensitivity analyses. The displacement sensitivity analysis was adopted by the nodal displacements of a candidate element in order to determine a rank on the free edges for two dimensional model or the free surfaces for three dimensional model. In this paper, R-BESO method is proposed as another useful design tool like the previous ESO and BESO method for the two bar frame problem, the Michell type structure problem and the three dimension short cantilever beam problem, which had been used to verify reasonability of ESO method family. For the three dimensions short cantilever beam problem an optimized topology could be obtained with much fewer iterations with respect to the results of other ESO methods.     

汽车车架结构的拓扑优化设计

采用有限元分析和结构拓扑优化设计相结合的方法,依据汽车车架的结构受力特性及其材料的性能要求,建立了优化数学模型.在此基础上,基于弯曲板的应力灵敏度分析和性能指标,构建了应力约束下车架拓扑优化准则.最后,开展了车架结构的仿真设计,并得到了合理的结果.     

Topology optimization for lightweight cellular material and structure simultaneously by combining SIMP with BESO

This paper presents a hybrid algorithm for topology optimization of lightweight cellular materials and structures simultaneously by combining solid isotropic material with penalization (SIMP) and bi-directional evolutionary structural optimization (BESO). Microstructure of the lightweight cellular material is assumed unique in the structure to make the proposed method feasible. A new sensitivity analysis formula with respect to the discrete variable is derived by a principal submatrix stiffness matrix, by which the material can be effectively removed from or added to cellular. Moreover, the validity of the proposed method is then demonstrated through two numerical examples (a simple supported beam and a cantilever beam), which can be easily applied in a variety of practical situations.

     

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料(FGM的特例)为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。     

基于高强度钢选型及成本控制的车顶结构耐撞性优化设计

针对高强度钢在车身结构设计中的应用成本与效率问题,提出一种车顶结构耐撞性设计方法,并对某车型进行优化设计。首先进行全局灵敏度分析,筛选出影响车顶强度的主要承载部件;然后将高强度钢的选型作为离散设计变量,厚度作为连续设计变量,同时对材料成本和总质量进行约束,建立车顶结构耐撞性优化的数学模型;最后,采用移动最小二乘法构造近似模型,结合遗传算法对主要承载部件进行优化设计。结果表明：在部件总质量和材料成本的控制下,车顶承载能力提高18.53%。该方法为高强度钢在车顶结构耐撞性优化设计中的应用提供了一种选型参考。