各向异性结构动态特性拓扑优化设计的敏度分析

利用水平集函数建立了各向异性连续结构动态特性拓扑优化设计的理论模型,使用一种全新方法证明了物质导数公式,得到了域积分和边界积分泛函的物质导数表达式.通过将物质导数法和不等式约束增广Lagrangian乘子法相结合推出了各向异性材料结构动态特性拓扑优化设计敏度分析的公式.设计边界的进化是通过人为的使目标函数下降的速度来控制,高维水平集曲面在不改变其拓扑结构的前提下上下运动,从而使嵌入在零水平集的结构形状通过其边界的合并与断裂在设计域内自动地改变其拓扑结构.广泛的2D正交各向异性悬臂梁研究验证了该方法的有效性,其结论为进一步发展复合材料结构的拓扑优化设计理论与算法奠定了基础.     

拓扑优化中水平集方法的局限性及改进方法

提出了一种基于拓扑导数的水平集方法,利用拓扑导数在材料的内部生成新的孔,再运用水平集方法移动和融合新生成的孔,克服了传统水平集方法的缺点并保留其优点;通过数值算例展示了传统水平集方法的缺点和新方法拓扑优化问题的改进效果。结果表明:提出的拓扑导数水平集算法简单有效,可以进行连续体结构的拓扑优化设计。     

某型搅拌车结构特性分析与拓扑优化

针对搅拌车在不同工况下常出现的后支撑台断裂故障,采用拓扑优化的方法对搅拌车后支撑台进行优化设计.以多工况变形能为目标函数,体积比为约束函数,通过变密度法进行结构拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果提取出新的支撑后台结构.对拓扑优化后的结构在扭转工况下进行分析,结果表明该结构在扭转工况下的强度满足正常行驶需求,达到了拓扑优化目的.     

基于改进群搜索优化算法的桁架结构拓扑优化研究

对桁架结构拓扑优化设计方法进行了研究,基于和声搜索方法和边界粘附机制,提出了用"启发式拓扑"或"拓扑变量离散化"处理变量的改进群搜索优化方法,分别对一个10杆桁架和一个15杆桁架进行了拓扑优化设计,计算结果与已有的文献结果进行了对比分析.研究表明,该算法不受传统的桁架拓扑优化中"基结构"的限制,避免了奇异最优解的问题,表现出较强的适用性,采用本文提出的方法对桁架结构进行拓扑优化是可行和有效的.     

基于ANSYS的渐进结构拓扑优化方法比较

以大型有限元通用软件ANSYS作为平台进行二次开发,探索基于渐进结构优化方法的结构拓扑优化途径.通过直接删除单元和运用单元生死技术,发展了两种实现结构拓扑优化的途径,并与ANSYS自带的结构拓扑优化功能进行比较研究.结果表明,直接删除法和单元生死法均可用于工程实际,运用单元生死技术进行基于ESO的结构拓扑优化有更大的灵活性和实用性.     

基于小生境遗传算法的新型环形张拉整体结构拓扑优化

根据环形张拉整体结构的柔性结构特点与力学特性,以结构总质量最小为目标函数,节点连接杆件数、结构存在自平衡模态、构件不交叉、应力性质、位移限值为约束条件,结合共享函数小生境技术以及预选择机制,提出一种基于小生境遗传算法的新型环形张拉整体结构拓扑优化方法,并对跨度、单体数不同的2个环形张拉整体结构进行拓扑优化.算例结果表明,利用基于刚度矩阵的张拉整体结构找形方法可有效地对不同拓扑条件下的环形张拉整体结构进行自平衡态模态的求解及静力分析.采用共享函数小生境技术和预选择机制对遗传算法进行改进,可有效地提高传统遗传算法的可靠性、稳定性,提出的方法可用于新型环形张拉整体结构拓扑优化.     

基于拓扑优化的二维声屏障吸声材料分布设计

为了改善声屏障的降噪效果,本文采用边界元法和移动渐近线优化算法对声屏障表面吸声材料的分布进行优化设计。基于各向同性惩罚微结构模型法(SIMP)变密度拓扑优化方法,建立以吸声材料单元相对密度为设计变量,以吸声材料的体积为约束,以参考面声压值最低为设计目标的拓扑优化数学模型,使用边界元法进行敏感度计算,最终使用移动渐近线优化算法求解优化模型。以二维声屏障模型为例,对表面吸声材料的分布进行优化设计,验证了所提方法在减噪优化设计中的可行性。算例结果显示:声屏障表面全部敷设吸声材料通常不是降噪效果最佳的情况,这一结果凸显了优化设计的重要性。     

基于拓扑及形状优化的大吨位装载机轻量化设计方法研究

综合运用拓扑及形状优化的设计思想,对大吨位装载机动臂结构材料布局及边界形状进行优化设计。首先以结构刚度最大化为设计目标,考虑材料体积约束,优化结构材料布局,采用准则法对优化问题求解,得到结构最优拓扑;然后在拓扑优化结果的基础上,以结构位移为目标,考虑最大应力约束,优化结构边界形状,得到动臂最优结构。经强度校核证明设计方案的有效性。     

重力坝非溢流断面快速优化设计

针对水利工程的特点,使用均匀化方法探索性地研究了利用结构拓扑优化技术进行水工结构优化设计的具体方法,对重力坝非溢流断面进行了优化设计,得到了符合设计规范的理想断面,并通过与其他优化算法结果的比较,显示了拓扑优化方法的优越性。     

基于振型加速度法的桁架结构拓扑优化设计

基于振型加速度法和全局收敛的移动渐近线法(GCMMA)求解结构动力响应及其灵敏度,建立了以结构材料用量最小为目标,指定自由度位移和杆件应力的均方差为约束的拓扑数学模型,最后以一桁架结构的优化算例验证了所提方法的有效性。     

基于连续体结构拓扑优化的树状结构拓扑创构

针对概念设计阶段树状结构拓扑创构问题,提出了连续体结构拓扑优化方法。应用连续体结构拓扑优化法,建立体积约束下结构总应变能极小化（即结构总体刚度极大化）的拓扑优化模型,依据单约束优化问题的鞍点条件建立了优化迭代格式。研究了体积比、屋面结构刚度、屋面结构几何形式、设计空间高度等对树状结构拓扑形态的影响,并给出了具体应用算例。结果表明：随着材料用量的增加,树状结构拓扑随之复杂;随着屋面刚度的增加,树状结构分枝趋向于减少;不同的屋面结构几何形式会导致不同的树状结构拓扑形态;满足一定高度后,树状结构分枝形态不会受高度影响,仅是增加主树杆高度。     

叠合多材质组合壳结构屈曲拓扑优化

采用所谓的散体材料优化方法(DMO),对叠合多材质组合壳结构屈曲荷载最大化的设计问题进行研究。设计优化方法基于多相拓扑优化的理念,计算材料的刚度作为备选材料的加权和,采用梯度技术和数学规划使得解决离散优化问题成为可能。以多层板为例,采用风机叶片翼梁帽的简化壳模型说明散体材料优化方法解决材料选择和纤维取向组合问题的前景。     

基于仿生子结构的十字交叉节点拓扑优化研究

针对十字交叉节点自重大且传统拓扑优化效果不佳的问题,应用仿生学原理提出一种仿生子结构划分方法,并进行了深入的拓扑优化及3D打印制造研究。首先通过SolidWorks软件建立十字交叉节点原始模型,并以蜂巢为仿生对象进行拓扑优化子结构划分,然后应用HyperWorks有限元软件进行给定荷载条件下的拓扑优化分析,优化目标设置为最大化刚度,约束条件设置为体积约束,其中仿生蜂巢子结构体积约束与其他次要子结构体积约束分别设置为0.8及0.2;最后通过OSSmooth模块进行FEA reanalysis处理,提取拓扑优化结果进行分析,并将拓扑节点有限元模型转化为STL文件,通过3D打印制造出拓扑节点的缩尺模型。研究结果表明：利用仿生子结构拓扑优化方法可仅使用2个子结构便快速得到最佳拓扑构型,其拓扑节点相较于原始节点最大位移降低了7.73%,最大等效应力降低了27.06%,质量降低了34.45%,应用此方法显著提升了结构优化效率和优化效果,将拓扑结果应用3D打印技术进行制造,解决了复杂形体采用传统工艺难以制造的问题。     

基于拓扑优化理论的桥梁结构找型

拓扑优化能够在给定边界条件下,给出结构合理的材料分布.基于变密度法,针对连续结构在不同约束条件下给出了悬臂结构、拱式结构、上承式悬带桥结构的拓扑优化结果及结构模型设计.结果表明,优化后的拱桥设计方案具有简洁性、有效性、实用性.     

弦支双曲扁网壳结构的鲁棒构型分析及试验研究

针对不良拓扑布置导致的结构鲁棒性不佳问题，以系统传递函数的H₂范数为基础，建立结构鲁棒性定量评价指标和鲁棒构型求解方法。以单元相对密度为设计变量，采用变密度模型描述材料的刚度，将结构的鲁棒设计转化为连续体拓扑优化，并对大爆炸算法进行二级搜索的改进，进而求解连续体拓扑优化模型。以四点支承的弦支双曲扁网壳结构为例，分析不同荷载作用下的鲁棒构型，探索不同参数的大爆炸算法优化效果，通过静力试验和冲击试验，对优化后模型和未优化模型进行对比分析。结果表明，二级搜索的大爆炸算法可以有效地应用于弦支结构的鲁棒设计中，改进的大爆炸算法加快了收敛速度，依据鲁棒构型进行杆件布置，可显著提高结构的力学性能和抗干扰能力。     

Configuration optimization of clamping members of frame-supported membrane structures

A method is presented for configuration optimization of frames that have specified properties on nodal displacements, stresses, and reaction forces against static loads. The conventional ground structure approach is first used for topology optimization. A feasible solution with a small number of members satisfying all the design requirements except the stress constraints is obtained by assigning artificially small upper-bound displacement, or by penalizing the stiffness of a thin member. This way, the well-known difficulty in topology optimization under stress constraints is successfully avoided. The nodal locations and cross-sectional areas of the feasible solution are next optimized to obtain an approximate optimal configuration under stress constraints. The proposed method is applied to the design of self-fastening clamping members for membrane structures modeled using frame elements. An optimization result is also presented for a clamping member that adjusts deformation of membrane by applying a clamping force with a vertically attached bolt.     

空间结构节点的拓扑优化与增材制造

在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件OptiStruct对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员尺寸约束等工艺制造约束对优化结果的影响。经多次尝试比较得到受力合理、外观简洁且具有设计美感的优化节点模型,并利用熔融沉积制造技术完成采用聚乳酸材料的节点打印。文中进一步讨论了实际工程中利用增材制造（3D打印）技术对优化模型进行制造成型的可行性。目前易于实现的途径是将增材制造和传统制造工艺结合起来,如利用3D打印制作复杂铸钢节点的模具、3D打印蜡模进行失蜡铸造等。