基于Optistruct的云粒子组合探测器改装结构优化设计

针对云粒子组合探测器改装结构布局形式多、质量偏大等问题，对某试验机的云粒子组合探测器改装结构采用了拓扑-尺寸联合优化设计方法，探索改装结构的最优结构布局及最小质量尺寸。采用变密度法对改装结构进行拓扑优化，获得了最优的结构布局形式和最佳的传力路线；以最小质量为目标函数，在满足强度和刚度的约束条件下，对结构的厚度参数进行了尺寸优化，使结构质量减轻了22.33%，减重效果明显，验证了拓扑-尺寸联合优化设计方法在试验机改装结构设计的有效性。     

大展弦比飞翼结构拓扑、形状与尺寸综合优化设计

为解决机翼结构布局优化设计问题,提出一种两级三层优化设计方法.第一级采用拓扑优化手段得到翼梁的大致位置与数目,将基于RAMP插值模型的变密度法与NASTRAN的有限元分析功能相结合,对机翼结构进行拓扑优化设计;第二级在第一级优化的基础上进行形状优化和尺寸优化的综合优化设计,将复合形法与NASTRAN改进的可行方向法相结合,分别优化翼梁的位置和机翼各元件尺寸, 最终完成机翼结构的布局优化设计.通过对大展弦比飞翼结构优化说明,文中所提的两级三层优化方法是可行和有效的,有着很好的推广应用价值.     

布局优化和尺寸优化相结合的合材料机翼优化设计

研究复合材料机翼结构优化,提出一种能同时解决布局优化(拓扑和位置优化)和尺寸优化的混合算法.对机翼的布局变量采用多参数级联编码的遗传算法进行优化,同时对遗传算法种群中所有个体布局的复合材料元件利用准则法进行尺寸优化,并将其结果作为布局遗传操作的依据.为了加快收敛进程,对遗传算法本身做出一定改进.通过对某型机翼结构的优化计算,表明所提优化方法是可行有效的.     

布局优化和尺寸优化相结合的复合材料机翼优化设计

研究复合材料机翼结构优化，提出一种能同时解决布局优化（拓扑和位置优化）和尺寸优化的混合算法。对机翼的布局变量采用多参数级联编码的遗传算法进行优化．同时对遗传算法种群中所有个体布局的复合材料元件利用准则法进行尺寸优化，并将其结果作为布局遗传操作的依据。为了加快收敛进程，对遗传算法本身做出一定改进。通过对某型机翼结构的优化计算，表明所提优化方法是可行有效的。     

一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。     

变载荷铣削力影响下的加工中心床身结构优化设计

针对加工中心工作过程中变载荷铣削力对床身结构性能的影响问题,对加工中心床身的材料密度分布以及构成床身的基本结构单元尺寸进行了研究。提出了以床身低阶固有频率和最小柔度为目标,体积分数为约束条件的多目标拓扑优化设计方法;采用折中规划法结合平均频率法,构建了变载荷铣削力影响下的多目标拓扑优化数学模型;依据变密度法拓扑优化指导的材料去除方案,获得了加工中心床身的最佳结构布局;同时结合经过优化的拉丁超立方采样,构造了单元标准二阶响应面,使用多目标遗传算法对床身进行了多目标尺寸优化。研究结果表明:优化后床身固有频率增加16.9%,床身质量减少17.4%,最大变形量降低14.4%,最大应力降低18.8%;该优化方案使加工中心床身的结构布局更加合理,实现了轻量化设计。     

基于IPTO算法的连续体结构可靠性拓扑优化

研究结构几何尺寸、结构材料体积及作用载荷不确定条件下的连续体结构可靠性拓扑优化问题,提出基于改进比例拓扑优化(Improved Proportional Topology Optimization,IPTO)算法的可靠性拓扑优化方法.基于概率方法描述变量的不确定性,建立综合考虑材料体积约束和可靠性约束且使柔度最小的连续体结构可靠性拓扑优化数学模型;为提高计算效率,使用基于解耦思想的混合法将可靠性拓扑优化问题解耦成可靠性分析和当量确定性拓扑优化两个独立子问题.在可靠性分析阶段,遵循一阶可靠度法中可靠性指标的几何意义,获取满足可靠性约束且服从正态分布的随机变量,并通过逆变换对其进行修正;在当量确定性拓扑优化阶段,以修正后的随机变量作为设计参数,使用具有无需获取灵敏度信息功能的IPTO算法对结构执行拓扑优化设计.最后使用MBB梁和悬臂梁两个算例证实了所提方法的有效性.     

基于基结构法的液压机底座结构拓扑优化

为使液压机底座结构的拓扑设计更加合理,提出了基于基结构法的底座结构拓扑优化方法,并以8 MN液压机底座为例,给出了以板为基本结构单元的底座基结构和建立在基结构基础上的包含尺寸变量和拓扑变量的结构拓扑优化数学模型。针对该拓扑优化问题,设计了专门的遗传求解算法。     

考虑位移约束的结构布局优化方法

研究了一种同时考虑拓扑优化和尺寸优化的连续体结构优化方法。在提出的方法里,结合材料属性的有理近似模型,采用归一化处理方法将两类变量的组合优化问题转化成[0,1]区间的连续变量优化问题。基于对偶优化方法,提出了一套优化模型的求解算法。利用该方法能对拓扑设计空间进行调整,并调整尺寸变量。提出的方法具有较好的收敛性,能够获得具有较好0-1分布的拓扑结构。     

基于导重法的结构类周期性布局优化方法研究

受外形尺寸限制,一些结构的优化区域无法划分为均匀一致的有限元网格。由此产生的单元体积依赖性,常规周期性拓扑优化无法求解。提出一种基于导重法的结构类周期性布局优化方法。以最小柔度为目标函数,结构质量为约束条件,构建结构类周期性布局优化的数学模型。利用导重法推导出结构类周期性布局优化的迭代准则,解释其物理意义并给出其优化流程。以单元应变能密度为基础,提出一种改进的过滤方案以解决结构类周期性布局优化中单元体积依赖性问题。利用所提出的方法,对循环对称结构、二维汽车轮毂结构和梯形结构进行结构类周期性布局优化研究。研究结果表明,子域数目不同时均可以得到具有类周期性布局的最优拓扑形式。通过性能指标和相对应变能两个指标来评价三个算例的最优拓扑形式,验证了利用导重法求解结构类周期性布局优化的可行性和有效性。     

基于基础结构法的柔顺机构可靠性拓扑优化

为了减少因制造和使用过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象,提出一种新的基于基础结构法的柔顺机构可靠性拓扑优化方法。框架单元能够包含弯曲模式,因此采用它的集合来表示设计域。将作用载荷和结构几何尺寸视为随机变量,把机构的失效模式视为应变能和互应变能的串联系统。采用一次可靠度方法计算串联系统的失效概率。建立柔顺机构可靠性拓扑优化设计对偶数学模型,采用对偶算法对优化问题进行迭代求解。数值算例结果表明,提出的方法是正确和有效的;基于可靠性拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构具有更好的性能。     

考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计

拓扑优化设计的压力驱动柔顺机构拓扑构型容易出现类铰链结构,导致难以制造加工。为了满足制造工艺要求,提出一种考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型,利用达西定律结合排水项计算流体压力载荷,以机构的互应变能最大化和应变能最小化为优化目标,采用Otsu算法和拓扑细化算法提取柔顺机构的骨架特征,从而构建最小特征尺寸控制,以结构体积和最小特征尺寸作为约束,建立考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化模型,采用移动渐近线算法进行压力驱动柔顺机构拓扑优化问题求解。数值算例结果表明,所提设计方法获得的压力驱动柔顺机构最小特征尺寸满足约束,能够有效地抑制类铰链结构,并且分析不同最小控制尺寸对柔顺机构拓扑优化结果影响规律。     

基于改进蚁群算法的连续型桁架结构优化设计研究

采用二进制编码方法对连续域设计变量进行离散化处理,对每代蚁群进行交叉、变异和复制等操作。对蚁群算法路径信息素更新方法应用了新的改进方式。应用这种二进制改进蚁群算法,对典型的10杆平面桁架及72杆空间桁架结构进行了结构分析与优化。采用改进方法的10杆最优设计方案比目前最优结果,略高0.18%;72杆最优设计方案优于目前最优设计结果,相对优化了2.8%。     

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。     

二维结构拓扑优化的GPU并行计算方法研究

针对结构拓扑优化中存在的计算量大,计算效率低的问题,以二维结构拓扑优化问题为研究对象,提出了一种GPU并行计算方法。通过对已有串行算法进行研究,结合GPU并行计算的基本特点,采用节点刚度方法计算结构刚度矩阵,相对于MATLAB向量化计算,该算法加速效果显著。以固体各向同性材料惩罚法进行结构拓扑优化为例,在CUDA平台下实现了对结构化网格二维拓扑优化问题的GPU并行计算,得到了清晰的拓扑构型,将该方法与现有计算方法进行对比,GPU并行计算速度有较大提升。     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

箱型支撑结构加筋板布局设计方法研究

针对箱型支撑结构内部加筋板的布局问题,提出了一种基于密度法的高效设计方法。将箱型结构表示为内部布置有平行分布杆的结构,即所谓的纤维模型;采用密度法对承载外壁的材料分布进行优化设计;根据外壁的材料分布情况,确定箱型结构的内部加筋板。引入纤维模型,将三维实体结构拓扑优化设计问题转化为二维板壳结构的拓扑优化问题,计算量小,设计效率高。通过对典型设计实例的设计分析,说明了该方法的有效性。     

基于改进SIMP法的连续体结构拓扑优化方法研究

基于SIMP法的连续体结构拓扑优化,在小规模网格下的优化结构刚度性能不佳,而在大规模网格下优化结构又会出现过多细小分支,针对这一问题,提出了一种基于改进SIMP法的连续体结构拓扑优化方法.该方法对SIMP数学模型进行了改进,将单元微分法作为力学响应分析的理论基础,以全体单元中心点应力应变积之和为优化目标函数,并结合比例...     

基于拓扑优化的机床立柱筋板改进

在拓扑优化的基础上,提出根据拓扑优化结果改进筋板布局的方法,并结合案例,构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,分别以柔度最小化、一阶固有频率最大化为目标和两者结合的多目标进行拓扑优化。在采用多目标优化时,对两个目标用加权和方法进行折衷处理,通过设置权值来确定两者在优化中所起作用大小。优化后得出不同的密度云图,根据密度云图所示材料分部,改进筋板布局,达到提高机床动、静态特性的目的。     

高精度加工中心床身结构拓扑优化研究与实践

采用变密度法对某叶片加工中心的床身进行拓扑优化分析,得到床身结构的拓扑优化变密度云图,用静刚度分析结果将床身结构分为主功能区和辅助功能区;分析比较了不同筋板布局形式和厚度的床身动态特性。将拓扑优化与动态性能分析相结合,分别改进两个功能区的筋板布局来提升床身整体性能。在原有床身质量不变情况下,静刚度提高25%,第一阶固有频率提高13%。这种结构设计方法,具有工程应用价值。该研究结果对提升机床基础件刚度及稳定性提供理论支撑,对数控机床大型基础件结构优化具有借鉴意义。