节点位置不确定下桁架结构稳健拓扑优化

针对结构节点位置存在小范围不确定性,提出了一种桁架结构稳健拓扑优化方法。由于工程制造或者装配误差,桁架结构节点位置常常存在误差,且此误差尺寸相对于结构单元尺寸很小。该桁架结构稳健拓扑优化问题的设计变量为各单元截面积,优化目标是结构柔度均值和标准差的加权和。优化过程中需要计算结构刚度矩阵的逆,由于结构存在节点位置不确定性,刚度矩阵是变化的,使得计算刚度矩阵的逆变得十分困难。然而,基于纽曼展开和泰勒级数展开,可将该小不确定量问题转化为较为简单的等效不确定载荷结构优化问题。为了利用优化准则法进行求解,利用伴随法进一步推导了目标函数的灵敏度信息。通过数值算例验证了该方法的有效性,并说明桁架结构节点位置不确定对结构优化结果有很大影响。     

基于拓扑优化和骨架提取的杆系结构设计方法

以二值图像细化算法为基础,提出了基于有限单元8-邻域网格模型的骨架提取算法.通过SKO(Soft Kill Option)拓扑优化方法获得连续体拓扑优化结果.应用网格模型骨架提取算法,提取拓扑优化模型的网格骨架,找到反映拓扑结构特征的传力关键点,再基于传力关键点连接杆件形成杆系结构.以该方法得到的杆系结构具有优化的拓扑结构和力学特性,因而杆件布置合理,结构应力分布均匀.     

基于主断面刚度优化分配的车身正向概念设计

提出了基于刚度优化分配的车身正向概念设计流程。根据车身结构拓扑与刚度分布紧密关联和相互影响的特点,提出了车身刚度链设计方法。建立了基于梁单元的车身简化模型,确定了18个主断面位置,建立了以主断面为节点的车身刚度链数学模型。针对车身刚度分布问题,研究了基于车身刚度链的整体刚度优化分布方法,建立了车身弯曲刚度优化分布问题的数学模型,利用遗传算法进行了求解,确定了各主断面的材料分布。与已有近似标杆车CAE模型的刚度仿真结果进行对比,验证了该刚度优化分布方案的合理性以及车身刚度链方法的有效性。     

基于灵敏度分析的桁架结构动力学尺寸优化

以桁架结构杆件截面尺寸参数为设计变量,以结构重量为目标函数,以结构的固有频率为约束条件,建立桁架结构的动力学尺寸优化设计数学模型.通过推导固有频率和结构重量对杆件截面尺寸的灵敏度,确定优化杆件及优化步长,建立了结构尺寸优化设计方法并制定了在ANSYS软件中的实现方案.方法能有效地改变结构固有频率,避免处于动载荷作用下的结构因发生共振而破坏.最后,使用数值算例验证了优化方法的有效性.     

桥式起重机主梁腹板结构拓扑优化设计

1拓扑优化设计数学模型的建立拓扑优化理论首先是在离散结构的拓扑优化中被提出来的(例如Michell的桁架理论),并且对一些简单的问题得到了很好的解答,但是,对复杂结构的拓扑优化问题,特别是连续体结构拓扑优化问题的解答还不够理想。为了解决这些问题,广大科研人员对原有的理论和方法不断改进。优化方法的选择目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有:变厚度法、变密度法及均匀化方法。变厚度法的数学模型简单,但优化对象受到很大的限制。变密度法以连续变量的密度函数形式显示地表达相对密度与材料弹性模量之间的相应关系,这种方法基于各向…     

离散变量桁架结构拓扑优化的混合遗传算法

为了避免结构拓扑优化过程中杆件和节点的增删带来的计算上的麻烦，在对桁架结构受力分析的基础上，提出一种启发式方法，以快速产生符合机动性要求的拓扑结构形式；然后在既定的拓扑结构形式下采用混合遗传算法——拟满应力遗传算法进行截面优化。该方法通过在遗传算法中嵌入拟满应力算子，同时对基本遗传算法采用最优个体保留、最差个体替换和控制种群个体差异等改进措施，有效提高遗传算法求解的效率和质量。算例结果表明，该方法用于离散变量桁架结构拓扑优化是有效的。     

采用多点逼近遗传算法的屈曲约束下桁架拓扑优化

基于线弹性屈曲理论,讨论了杆单元建模及欧拉单杆失稳判据在桁架结构稳定性分析中的缺陷。为更精确地获得桁架屈曲响应,建议以梁单元进行有限元建模,并利用特征值屈曲分析来获取结构各阶失稳载荷因子及屈曲模态。分析了从基结构法出发求解特征值屈曲约束下桁架拓扑优化问题所存在的求解困难与奇异性。为有效求解该类问题,采用了多点逼近遗传算法,对离散拓扑变量和连续尺寸变量进行了联合优化。同时,通过屈曲模态识别、删除杆件屈曲模态过滤、局部约束临时删除等措施,特征值约束下的求解困难和删除杆件在优化过程中的不利影响也得到了克服。数值算例验证了本文结构建模及优化方法的有效性,同时也表明了该方法具有较高的效率,能够凭借较少的结构分析次数来获得优化解。     

SolidWorks中建立桁架模型方法

针对桁架结构的特点,利用SolidWorks软件的焊件模块,建立起整个桁架结构模型。首先,在零件模式下,采用自上而下的模式,针对每个杆件位置,搭建出每个杆件在桁架结构的空间位置关系。其次,对每一个杆件分配截面属性,修改杆件与杆件之间的接头形状,建立起整个桁架结构的焊件零件。最后,该桁架结构的零件可以转化为装配体,每个杆件可以自动拆分成杆件零件。     

基于工艺约束特征的三维结构拓扑优化技术

针对结构拓扑优化技术在工程应用过程中的工艺约束引入问题,在基本变密度法的基础上,面向制造工艺约束引入了可扩展的约束因子,并通过特征匹配技术将制造工艺约束和约束因子链接,进而对可变密度结构拓扑优化方法进行面向应用的改进。该方法首先通过特征建模技术将各类制造工艺约束形成可检索的制造特征,利用特征匹配技术寻找符合设计要求的制造特征,并根据优选的制造特征初始化约束因子和单元伪密度。然后通过约束因子对设计变量的控制作用,结合材料属性的合理近似模型,利用优化准则法和独立网格过滤技术,完成结构设计域的优化。给出了约束因子的扩展模型、带约束因子变密度法的改进数学模型以及带约束因子变密度优化设计的求解过程和应用流程图,并用MATLAB程序实现该算法。通过一个算例计算给出了求解运算和数据分析结果,验证了该方法求解的可行性与有效性。     

LNG车载气瓶支架的轻量化设计

以某半挂车储气瓶支架作为研究对象,使用有限元仿真软件对其开展了刚度及强度计算,并根据计算结果运用变密度法对支架结构进行了拓扑优化,最终根据拓扑最佳优化结果建立了新的支架模型并二次分析验证其有效性。在此基础上,以各杆件壁厚作为设计变量,以最小质量、强度、刚度为目标条件,运用响应面法筛选出支架各杆最优厚度组合。优化后的模型相比原模型最大应力、最大变形量及质量都有所减少,表明拓扑优化结合尺寸优化组合是一种非常有效的轻量化优化方法。     

基于加速模态差值法的桁架结构早期损伤识别研究

针对起重机械的桁架结构,分析了损伤的严重后果,提出了用加速模态差值法识别早期损伤.首先建立有限元模型,随机选取一根杆件,通过降低其刚度来模拟早期损伤;然后对未损桁架和损伤桁架分别进行模态分析,并提取两者的模态振型数据,通过计算机处理得到损伤前后的加速模态振型,然后进行对比分析,找出加速模态振型变化最大的节点,即为损伤节点,进而找到损伤杆件.实例分析表明,提出的方法合理可行.     

受动力响应约束的桁架的形状优化

建立了求解桁架的最优形状,使桁架的重量最小化,同时满足桁架动力响应(杆件横截面的动应力和节点的动位移)约束的桁架形状优化设计的数学模型,采用ANSYS的APDL语言设计了求解该数学模型的算法,从而获得桁架的最优形状.数值结果表明用该方法获得桁架的最优形状是令人满意的,而且算法稳定,效率高,具有很现实的工程意义.     

基于无网格Galerkin法的连续体结构拓扑优化方法研究

基于一种新型的数值计算方法-无网格伽辽金法（EFG）;采用拓扑优化方法中的SIMP法,以节点相对密度为设计变量、结构柔量最小为目标函数,建立结构拓扑优化的数学模型;然后采用优化准则法,推导设计变量的迭代格式,分析其灵敏度,在拓扑优化设计中采用敏度过滤技术有效地遏制了点态棋盘格的产生;最后用Matlab软件编写了相应的计算程序,完成实例优化,并将结果与基于有限元法的优化结果相比较,证明了该方法的正确性和有效性。     

复合域结构的重构拓扑优化方法设计及应用研究

针对结构与材料拓扑优化子域交互式设计问题,提出了复合域结构的重构拓扑优化（CDRTO）方法。建立了基于均匀化理论的复合域结构拓扑优化问题的数学模型,采用一般连续近似优化算法进行了优化求解,利用复合域子域变量压缩技术提高了计算效率,同时针对求解结果的可制造性问题提出了重构方法。将CDRTO方法应用于X形汽车车架设计和结构与固定装置并行设计两个实际工程设计问题,结果表明该方法具有可行性与有效性。     

基于零件三维模型的可制造性分析技术研究

CAD系统建立的是采用面向几何造型的特征模型,与制造特征在形状、拓扑结构、特征关系等方面有显著的不同,不能直接应用于后续的工艺性分析与工艺设计。采用了面向制造特征的特征识别技术,通过设计几何拓扑模型建立制造特征模型,然后通过建立加工工艺性评价知识库、规则库,实现基于三维制造特征模型的加工工艺性分析。     

复合域结构的重构拓扑优化方法设计及应用研究

针对结构与材料拓扑优化子域交互式设计问题,提出了复合域结构的重构拓扑优化（CDRTO）方法。建立了基于均匀化理论的复合域结构拓扑优化问题的数学模型,采用一般连续近似优化算法进行了优化求解,利用复合域子域变量压缩技术提高了计算效率,同时针对求解结果的可制造性问题提出了重构方法。将CDRTO方法应用于X形汽车车架设计和结构与固定装置并行设计两个实际工程设计问题,结果表明该方法具有可行性与有效性。     

考虑固有频率最大化的快速反射镜结构系统拓扑优化设计

基于变密度拓扑优化方法和分段插值材料模型，文中提出了面向快速反射镜结构系统固有频率最大化的拓扑优化数学模型，解析推导了结构固有频率相对于伪密度设计变量的灵敏度。在不同多点固定力学条件下，开展了快反镜支架的拓扑优化设计，得到了不同的固有频率优化迭代曲线和结构拓扑构型。基于拓扑优化结果，进行了快反镜结构系统的三维模型重构，通过有限元模态分析结果可知，快反镜结构系统的固有频率得到较大的提高。     

增材制造工艺匹配性评估的宏微观决策模型

增材制造存在悬空区域难制造、不同结构和不同性能要求零件的可成形性难预测等突出问题,提前评估工艺的匹配性和合理性具有重要意义。提出了一种宏微观一体化综合决策模型,从增材制造工艺角度评估零件的可成形性,根据打印零件的效果推演出最佳的成形策略。宏观决策阶段建立设计需求与制造工艺间的数学模型,从可成形性角度评判工艺的匹配程度;微观决策阶段建立表面粗糙度、支撑结构体积和打印时间的数学模型,从打印质量的角度优化打印工艺。最后,以拓扑优化的梁结构零件为例,利用建立的综合决策模型优化其打印工艺,结果表明,实际打印结果与模拟打印结果一致,验证了数学模型的有效性。     

基于HyperWorks的注吹机上模板的拓扑优化设计

根据传统的设计方法,初步确定模板的尺寸,再基于软件HyperWorks对模板进行有限元分析并采用拓扑优化方法设计模板结构。建立了模板的有限元模型并对其进行静力学分析。对模板进行拓扑优化设计并根据拓扑优化分析结果、模板的设计和制造工艺要求,获得了拓扑优化后的模板结构。拓扑优化方法为模板的创新性设计提供新的途径,能有效地解决工程设计中的实际问题。     

悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计

对二维悬臂梁结构进行初始数值分析,确定贴片布置方式。根据力传感器的设计要求,如贴片区域的应力集中、刚度和重量等,基于常用的SIMP拓扑优化方法,建立拓扑优化模型。结合敏度过滤、密度过滤方法和优化模型参数的连续化方法,使优化的结构收敛到一个细结构较少的拓扑构形。采用MMA优化算法对优化模型进行求解,实现对悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计。最终优化结果显示,经拓扑优化得到一个应变在贴片区域集中的优化结构,并达到四个贴片区域的应变量一致。