基于变密度法的多材料与结构一体拓扑优化研究

针对多材料连续体结构拓扑优化问题,基于3D打印技术的发展,将材料可由多种不同材料按任意比例混合组成的技术应用于多材料拓扑优化问题中。在变密度法结构拓扑优化方法基础上,提出了一种双材料混合结构拓扑优化模型及其计算方法;在该模型中以单元密度作为设计变量,同时增加单元中两种材料混合比例为设计变量;最后通过两个算例对所提出方法的有效性进行了验证。研究结果表明:采用该方法进行结构拓扑优化的同时,可以得到两种材料的混合比例,实现基于各向同性固体材料插值模型(SIMP)的多材料与结构一体拓扑优化。     

SIMP插值的约束层阻尼结构拓扑优化

针对约束层阻尼结构拓扑优化问题,采用SIMP插值模型和变密度方法,构建了以模态损耗因子为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。推导了模态损耗因子对设计变量的灵敏度表达式。采用优化准则法,计算了约束层阻尼的最优拓扑构型,给出了拓扑优化计算的流程。结果表明:采用该拓扑优化方法对约束层阻尼材料进行优化布局,能在减少阻尼材料用量的前提下,显著提高结构模态损耗因子,降低频率响应幅值。     

汽车车身耐撞框架结构设计研究

为求解车身耐撞框架结构非线性耐撞拓扑优化问题,提出了基于能量控制混合元胞自动机的拓扑优化方法。首先运用LS-DYNA显式有限元算法,以混合元胞自动机作为优化计算模型,根据比例局部控制规律确定设计变量中的局部改变,同时在拓扑结构中划分柔性区域和刚性区域并赋予其不同的设计尺寸和质量分数约束,增加能量控制约束及最优约束条件选取。然后通过单工况和多工况连续体拓扑优化说明该方法的可行性和准确性。最后,将方法用于汽车前保险横梁的设计,耐撞性能得到明显提高,说明该方法具有很好的工程实用价值。     

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。     

用拓扑优化方法进行热传导散热体的结构优化设计

分析了拓扑优化中的材料密度方法和优化准则数值求解算法,将结构力学中的拓扑优化方法应用到热传导结构的优化设计中,建立了热传导结构的拓扑优化数学模型,以设计具有最佳散热效果情况下的结构拓扑分布,为传热体的结构优化设计提供了一种有效的新思路和方法。     

双材料结构非概率可靠性拓扑优化设计

利用凸模型描述和非概率可靠性的量化定义,研究存在材料属性、几何及荷载不确定性的双材料结构拓扑优化问题。基于扩展的相对密度惩罚方法,建立优化模型为给定材料体积约束下,同时满足可靠性要求的连续型极小极大优化问题,以寻找两种不同实心材料的最优联合材料分布布局。采用序列近似规划策略,结合不确定参数直接迭代公式和移动渐近线方法来求解该极小极大优化问题。该方法可把原问题转化为一系列近似的确定性优化问题,从而极大减少了计算量。数值研究表明,存在的不确定性可能对双材料结构的最优联合布局产生较大影响,优化模型和数值算法为双材料结构拓扑设计提供了一个有效途径。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

基于拓扑理论的连接法兰结构优化设计

基于OptiStruct拓扑优化的理论和方法,建立了某机动平台的重要传动构件连接法兰结构简化后的拓扑优化有限元模型,得到了扭矩作用下的法兰最优材料分布结构形式,并对优化前后的法兰进行了静强度计算和对比分析。研究结果表明,优化后的法兰结构质量较优化前减轻了近20%,且结构强度满足设计要求;同时,验证了法兰拓扑优化数学模型的正确性以及将拓扑优化引入法兰结构设计这一思想的可行性,为法兰以及机动平台的轻量化设计提供了可行性参考。     

基于计算机软件的摄影机器人底盘结构优化设计

应用SolidWorks三维机械设计软件中的静力学算例、设计算例和拓扑算例对摄影机器人的底盘结构进行优化设计。对原有的摄影机器人底盘结构进行三维建模和静力学应力分析,确认厚度尺寸偏大,导致底盘质量偏大。应用设计算例对摄影机器人底盘的厚度进行寻优,根据寻优结果重新设计底盘模型。对重新设计的摄影机器人底盘模型进行拓扑计算,得到材料分布结果,并根据材料分布对底盘结构进行优化。通过结构优化,有效减小了摄影机器人底盘的质量。     

传热结构自适应拓扑优化准则法研究

合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克（Kuhn-Tucker,KKT）最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。     

基于CA的结构拓扑设计的研究—平面薄板加强筋拓扑形态创成的仿真

根据CA（Cellular Automata)算法的模型和过程,设计了它在结构拓扑形态设计中的应用步骤,以简单结构的力学模型为基础,分别用力学规则和神经网络方法进行归纳,整理,分类和学习,得到了进化规则,进行自下而上自动创成结构形态,友平面薄板的加强筋设计为例,进行计算机仿真,得到的结果与实际依靠人的经验设计的结构拓扑形态较为吻合,且具有较强的泛用性和鲁棒性。     

机车车辆端部结构拓扑-参数一体化优化方法

拓扑优化方法广泛用于获取结构的优化构型,而参数优化方法用于具体结构参数的取优,为了整合这两种方法的优势并提供一体化优化方案,以机车车辆端部结构被动安全性为研究对象,提出一套可以同时考虑静态和动态载荷作用,适用于大尺寸结构的拓扑-参数优化方法。该方法的拓扑优化部分采用缩放能量权重的混合元胞自动机方法对端部结构进行综合耐撞性和刚度评估的拓扑优化设计,有效解决拓扑优化多工况中由于能量差异而导致的结果偏差;参数优化部分结合网格变形技术和自适应模拟退火优化算法对结构进行给定接触力约束条件下的参数优化。具体算例结果表明,利用该方法优化后机车车辆在正面碰撞中的关键接触力峰值下降26.2%～46.3%,变形模式更趋于合理;在侧翻碰撞中乘客生存区间的上下部安全距离分别增加24.8%和12.8%。     

基于有序细胞自动机的图像加密方案

细胞自动机可以通过考虑一个系统的局部状态和整体状态之间的关系来展现该系统的复杂行为。正是由于细胞自动机的这种普适性,使得其在传统的密码学及图像处理中也得到了广泛的应用。本文中,我们结合Lafe给出的基于细胞自动机变换的压缩技巧提出了一个新的、基于有序细胞自动机的图像加密方案。新的方案既利用了基于细胞自动机的变换对二维图像具有良好压缩效果的特点,又提出了有序细胞自动机的加密技术弥补了Lafe方案中加密效果不理想的缺点。由于细胞自动机具有简单的平行结构、易于实践、密钥量大、加密速度快和成本低的特点,所以这种加密技术非常适用于光学实现领域的应用。     

基于ANSYS参数化语言的微结构拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型：以变密度法作为材料的插值模型,以最小柔度作为目标函数,以优化准则作为优化算法,通过ANSYS参数化编程,实现了微结构拓扑优化。优化结果表明,该模型与ANSYS参数语言编程相结合,可以有效地实现微结构的拓扑优化设计。     

Power flow response based dynamic topology optimization of bi-material plate Structures

Work on dynamic topology optimization of engineering structures for vibration suppression has mainly addressed the maximization of eigenfrequencies and gaps between consecutive eigenfrequencies of free vibration, minimization of the dynamic compliance subject to forced vibration, and minimization of the structural frequency response. A dynamic topology optimization method of bi-material plate structures is presented based on power flow analysis. Topology optimization problems formulated directly with the design objective of minimizing the power flow response are dealt with. In comparison to the displacement or velocity response, the power flow response takes not only the amplitude of force and velocity into account, but also the phase relationship of the two vector quantities. The complex expression of power flow response is derived based on time-harmonic external mechanical loading and Rayleigh damping. The mathematical formulation of topology optimization is established based on power flow response and bi-material solid isotropic material with penalization(SIMP) model. Computational optimization procedure is developed by using adjoint design sensitivity analysis and the method of moving asymptotes(MMA). Several numerical examples are presented for bi-material plate structures with different loading frequencies, which verify the feasibility and effectiveness of this method. Additionally, optimum results between topological design of minimum power flow response and minimum dynamic compliance are compared, showing that the present method has strong adaptability for structural dynamic topology optimization problems. The proposed research provides a more accurate and effective approach for dynamic topology optimization of vibrating structures.     

基于人工材料密度的新型拓扑优化理论和算法研究

对基于人工材料密度的拓扑优化理论作了深入分析;推导出了一种基于人工材料密度的拓扑优化准则算法,将该算法应用于拓扑优化的计算中,并给出了基于人工材料密度的拓扑优化迭代分析流程;提出了一种卷积因子方法,用于消除拓扑优化计算结果中易出现的棋盘格式和多孔材料现象;通过数值计算验证了理论和算法的有效性;分析讨论了不同优化参数对拓扑优化计算结果的影响。     

基于OptiStruct的风力叶片拓扑优化设计

基于OptiStruct的优化平台对二维薄板和风力叶片进行了不同目标的拓扑优化,给出了均匀材料和复合材料结构分别在最小位移和应力目标下的拓扑优化结构。结果表明拓扑优化方法能够对复和材料的风力叶片进行有效优化,并提供材料的优化布局方案。     

隐式功能函数结构体可靠性拓扑优化

考虑工程实际中外载荷、材料属性等的随机不确定性对结构安全性的影响,研究了具有结构位移可靠性约束的拓扑优化设计。建立以柔度最小为目标、以单元相对密度为变量、具有材料体积分数约束和结构位移可靠性约束的拓扑优化数学模型;针对运用有限元数值计算方法时结构功能函数为隐式的情况,运用响应面法近似逼近结构真实的功能函数;利用简便高效的一次二阶矩法计算结构位移可靠度;采用内循环为确定性的拓扑优化、外循环控制结构材料体积分数的策略对连续体结构进行可靠性拓扑优化设计。通过两个算例与确定性拓扑优化结果进行比较,结果表明所提设计方法是高效可行的。     

汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究

为了研究以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架拓扑结构,提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数,而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义。通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。该方法避免了单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,适合连续体结构的多目标拓扑优化。