基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

电流变夹层振动控制和拓扑优化研究

为电流变夹层板设计了半主动的变刚度控制算法,并对其进行了夹层结构的拓扑优化。首先,建立了电流变夹层结构的动力学模型,基于开关控制策略发展了适用于ER夹层板的模态控制算法。随后,构造了电流变夹层结构的单阶模态和综合模态的频率变化率为优化目标函数,再采用粒子群优化方法,以这两个函数为目标,对结构进行了拓扑优化,并且得到了一定材料使用率限制下相应的拓扑布置构形。最后,采用变刚度控制的等效阻尼比和多种激励下的时域响应对比两种手段对拓扑优化的结果进行了验证,数值算例证实了该拓扑优化结果以及变刚度控制的有效性。     

模糊参数平面连续体结构的拓扑优化设计

研究了具有模糊参数的连续体结构在模糊载荷作用下的拓扑优化设计问题。利用信息熵将模糊变量转换为随机变量,构建了随机载荷作用下的随机参数的连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元应力可靠性为约束条件,利用分布函数法对应力可靠性约束进行了等价显式化处理。基于随机因子法,利用代数综合法导出了应力响应的数字特征的计算表达式。采用双方向渐进结构优化(BESO)方法求解。通过两个算例验证了该文模型及求解方法的合理性和有效性。     

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。     

低噪声圆锯片动态拓扑优化设计研究

为了降低金刚石圆锯片锯切噪声,提出一种适用于多约束条件下的圆锯片减振降噪动态拓扑优化设计方法。基于混合元胞自动机算法构建了低噪声圆锯片动态拓扑优化模型,以锯片减振降噪为设计目标,以锯切过程的锯切力、位移载荷响应为多约束条件,对优化模型进行计算分析,得到了满足刚度要求的最优开槽圆锯片,降低噪声5.1 dB。依据优化结果制备了开槽锯片,通过锯切实验,验证了优化结果的正确性。该方法为低噪声圆锯片的动态拓扑优化设计提供了新思路。     

考虑载荷不确定性的多材料结构稳健拓扑优化

传统的拓扑优化设计通常基于单材料与确定性条件,往往难以兼顾结构性能的稳健性。针对实际工程中载荷不确定性问题,研究多材料结构稳健拓扑优化设计方法。基于有序各向同性微结构材料惩罚模型法(Ordered-Solid Isotropic Microstructures with Penalization, Ordered-SIMP),进行多材料插值模型表征。构建载荷概率分布条件下结构柔度均值与标准差的加权目标函数,辅以体积约束。针对载荷满足随机场分布时,采用Karhunen-Loève展开将载荷随机场变换为有限个不相关的载荷随机变量加权和,并借助稀疏网格数值积分方法,将多材料结构稳健拓扑优化转化为求解一组多工况加权多目标确定性拓扑优化设计问题。通过数值算例验证所提方法的有效性与优化结果的稳健性。结果表明:针对不同材料组合方案,均能有效获得良好的多材料拓扑构型;与确定性设计相比较,稳健设计具有不同的材料布局方案,且结构性能更加稳定。     

约束阻尼结构的双向渐进拓扑优化

针对约束层阻尼板的拓扑优化问题,以模态损耗因子最大化为目标函数,约束阻尼材料体积分数为约束条件,建立了约束阻尼板的拓扑优化模型。基于模态应变能方法,推导了目标函数对设计变量的灵敏度。采用双向渐进优化算法(BESO)对约束阻尼材料的布局进行了拓扑优化,获得了约束阻尼材料的最优拓扑构型,并与渐进优化算法(ESO)进行了比较。研究结果表明：双向渐进优化算法相比单向渐进优化算法,获得的模态损耗因子更高,阻尼减振效果更好。     

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。     

基于应变能的预应力平面实体结构拓扑优化设计

研究了预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题。建立了以索力值和结构拓扑为设计变量,以结构储存应变能为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型。在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低应变能的单元实现结构的拓扑优化并减轻结构重量。算例结果与相应体系受力性能的结论相吻合,表明本文所提出的优化方法是可行的。     

圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化研究

采用渐进结构拓扑优化方法,以阻尼结构模态损耗因子最大化为目标,阻尼材料体积分数为约束条件,阻尼胞单元为设计变量,建立了圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化模型,对约束阻尼以及自由阻尼材料布局进行了拓扑优化。研究了阻尼结构模态损耗因子对阻尼胞单元位置的灵敏度,导出灵敏度计算表达式。根据渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态损耗因子达到最大化。给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化设计方法的正确性和有效性     

考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法

将稳定性问题引入传统变密度法中,可实现包含稳定性约束的平面模型结构拓扑优化。以单元相对密度为设计变量,结构柔度最小为目标函数,结构体积和失稳载荷因子为约束条件建立优化问题数学模型,提出了一种考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法。通过分析结构柔度、体积、失稳载荷因子对设计变量的灵敏度,并基于拉格朗日乘子法和Kuhn-Tucker条件,推导了优化问题的迭代准则。同时,利用基于约束条件的泰勒展开式求解优化准则中的拉格朗日乘子。通过推导平面四节点四边形单元几何刚度矩阵的显式表达式,得到了优化准则中的几何应变能。最后,通过算例对提出的方法进行了验证,并与不考虑稳定性的传统变密度拓扑优化方法进行对比,结果表明该方法能显著提高拓扑优化结果的稳定性。研究结果对细长受压结构的优化设计有重要指导意义,对结构的稳定性设计有一定参考价值。     

基于改进渐进结构优化方法的结构动力优化研究

在对渐进结构优化方法基本理论分析基础上,根据结构动力学的拓扑优化特点,结合尺寸优化理论,提出了一种新的删除准则。探索了一种改进型渐进结构优化方法,并叙述基本的优化步骤。最后,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学约束条件参数,运用该方法进行谐激励力作用下的板结构动力响应拓扑优化。算例表明,改进渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了基本渐进结构优化方法的应用范围。     

基于整体应变的柔顺机构多目标拓扑优化设计

针对传统方法在拓扑优化中会出现局部应变集中的缺陷,提出了一种基于整体有效应变的柔顺机构多目标拓扑优化方法.该方法不再以应变能最小作为目标函数,而是以整体有效应变最小来表征机构的刚度最大,从而将应变均匀地分布在整个系统中.考虑到柔顺机构对刚度和柔度的要求,以整体有效应变最小化和互应变能最大化为目标建立了多目标拓扑优化模型,在变密度法的基础上,利用妥协规划法研究了柔顺机构的多目标优化问题.其中,目标函数的灵敏度分析采用伴随矩阵求解方法,并采用移动渐进算法求解拓扑优化问题.最后,通过柔顺夹钳设计的数值算例来说明该方法的有效性和先进性.结果表明,该方法能够减少基于传统优化方法的结构中的局部大应变,从而有效提升柔顺机构的可靠性.     

约束阻尼板的渐进法结构减振拓扑动力学优化

旨在为结构减振设计奠定一定基础,研究约束阻尼板减振优化问题。建立约束阻尼板动力学平衡方程,推导模态损耗因子计算模型。构建以模态损耗因子最大为目标,黏弹性材料用量及模态频率变动最小为约束的阻尼板拓扑优化数学模型,推导模态损耗因子灵敏度算式。引入渐进结构优化方法对约束阻尼板动力学优化模型进行求解,采用独立网格滤波技术,解决优化迭代中出现的棋盘格问题。编制阻尼板拓扑优化程序,实现约束阻尼板减振优化。仿真显示,与非优化删除方法相比,采用渐进拓扑动力学优化,更有利于实现黏弹材料优化布局,且模态频率变化比较稳定。对阻尼结构进行谐响应分析,以验证拓扑优化方法有效性,引入模态损耗因子体积密度指标以评价阻尼板减振拓扑优化性能。研究表明,若能实现结构模态损耗因子最大化,约束阻尼板减振效果明显。该方法对于约束阻尼板设计具有较强实用性,拥有较高的稳定性。     

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的 在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计.方法 以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型.结果 研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要.结论 通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计.     

钢框架支撑体系连续型拓扑优化设计

为了研究连续型拓扑优化理论在实际工程中的应用,该文给出了一种多层钢框架支撑体系连续型拓扑优化设计方法。基于灵敏度分析,探讨了连续体结构在多工况荷载作用下、同时受应力和多位移约束的拓扑优化删除准则。为保证拓扑优化结果的合理性,提出了设计区域平均厚度的概念。在该文给出的优化设计方法中,首先在不考虑位移约束的情况下对无支撑钢框架进行优化设计,然后在有位移约束的条件下采用渐进结构优化算法和删除准则对支撑体系进行连续型拓扑优化设计,并将获得的支撑最优拓扑构形转化成相应的杆件。通过一个3跨12层钢框架支撑体系的拓扑优化设计实例验证了该文给出的钢框架支撑体系连续型拓扑优化设计方法的有效性。     

稳态热传导结构非概率可靠性拓扑优化设计

研究具有区间参数的稳态热传导结构在散热弱度非概率可靠性约束下的拓扑优化设计问题。建立了以单元相对导热系数为设计变量,导热材料体积极小化为目标函数,满足散热弱度非概率可靠性为约束条件的稳态热传导结构的拓扑优化设计数学模型。基于区间因子法,推导出散热弱度的均值及离差的计算表达式。采用渐进结构优化法的求解策略与方法,并利用过滤技术消除优化过程中的数值不稳定性现象。通过算例验证文中模型及求解策略、方法的合理性和有效性。     

动载荷激励下板壳结构加筋自适应成长方法

自适应成长法是基于自然界分支系统形态形成机理的一种高效结构拓扑优化设计方法。通过引入等效静态载荷法理论,运用自适应成长法解决板壳加筋结构在承受动载荷激励下的动态响应拓扑优化设计问题。根据板壳结构所受的动载荷边界条件,构建以动柔度为目标的优化数学模型,推导迭代公式,使板壳结构的加强筋从"种子"开始,沿着使结构最佳力学性能方向成长,从而形成最优加强筋分布形态。研究在简谐载荷和冲击载荷作用下的板壳结构加强筋设计例,并与静态载荷作用下的设计结果进行比较。研究结果表明,板壳结构在动态载荷作用下,其主加强筋布局形态和在静态载荷作用下相同,但在靠近载荷作用点附近出现与主加强筋平行的截面积较小的加强筋,以增加抵抗动态载荷的作用;而冲击载荷作用下的加强筋与一般简谐载荷作用下的加强筋相比,多出一层较复杂的框型筋板抵抗瞬时冲击力。     

结构振动响应逐步逼近模糊优化设计方法

本文研究了受任意确定性载荷作用下,结构振动响应的逐步逼近模糊优化设计方法,利用构造逐步逼近的动态目标隶属函数,使多目标振动响应优化问题转化为单目标优化,并使其获得工种满意解的优化效率大为提高。     

基于拓扑优化的重型矿用自卸车翻车保护结构设计

翻车保护结构（roll-over protective structure,ROPS）是安装在工程车辆驾驶室中的一套被动保护装置,能在翻车事故中为驾驶人员提供有效的保护。为解决ROPS承载能力、刚度、轻量化和侧向吸能效果之间的矛盾,将基于变密度法的拓扑优化技术引入重型矿用自卸车ROPS设计中,以解决ROPS在给定设计域内的材料最优分布问题,提高ROPS侧向吸能效果和垂向、纵向的刚度,减轻自重。首先,利用OptiStruct结构优化模块对ROPS进行拓扑优化设计,以多工况组合应变能最小为优化目标,按照国际标准规定的性能要求施加载荷和约束条件。基于拓扑优化结果,对ROPS进行详细设计。然后,利用显示动力分析软件LS-DYNA对ROPS的最终设计模型进行动态加载分析。最后对优化后ROPS的性能与原ROPS的性能进行对比分析。结果表明：拓扑优化设计后的ROPS在3个工况下都没有入侵DLV（deflection-limiting volume,挠曲极限量）,满足国际标准中的承载能力要求;在侧向加载中最大能量吸收达到175 kJ,满足国际标准中的侧向能量吸收要求;相较于原ROPS,拓扑优化设计后的ROPS达到侧向能量吸收要求所需的载荷从1 324.5 kN减小到1 231 kN,加载中心点的垂向位移减小21.3%,纵向位移减小34.4%,质量减小24.1%。研究结果为重型矿用自卸车ROPS的设计提供了新方法,对后续ROPS的设计与改进有一定的指导作用。