基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法

点阵材料是一种超轻高强的高性能多孔材料,目前主要以等密度构建点阵结构体。在实际情况下,点阵材料的各部分承受着不同的载荷,等密度点阵材料存在性能不能充分发挥的问题。针对上述问题,将拓扑优化引入点阵材料设计中,提出一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法,实现了变密度点阵结构体的优化设计,可根据实际载荷设计出最优的变密度点阵结构体,以达到最优性能。以汽车连杆为例,与现有商业软件HyperWorks采用的梁模型点阵优化方法进行对比验证。结果表明,所提出方法优化所得连杆的轻量化效果更好,应力分布更合理。该方法生成的变密度点阵结构有着更优异的性能,更适合变密度点阵结构体的优化设计。     

一种密度约束的拓扑优化方法

拓扑优化方法是改善结构性能、实现结构创新设计的有效手段.本文采用浮动映射技术,提出了一种密度约束的拓扑优化(Density-constrained topology optimization,DCTO)方法.该方法不同于SIMP方法,采用线性无惩罚材料插值模型,通过准则优化,首先找到结构的最优"厚度"(材料相对密度)分...     

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。     

免装配柔性夹钳的变密度法结构设计

目前柔性夹钳的结构设计大多为中间驱动的单载荷输入形式,而实际应用中对夹钳的使用则更需要两端载荷输入的形式。建立了基于变密度法的柔性夹钳的数学模型,采用变密度法对设计区域进行了结构拓扑优化,根据经验法将拓扑优化结果进行了重构,并对优化过程中的重要参数进行了分析,说明了单元格的种类、数量以及体积分数对拓扑优化的重要性。设计出了一种新型的两端夹持力输入的免装配柔性夹钳,并对设计结果的有效性进行了验证,在此基础上提出了一种新的免装配产品的设计思路     

基于相对密度机床立柱结构的动力学拓扑优化

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,结构基频最大化为目标函数,满足结构工况和相对体积比为约束条件,采用启发式优化准则法进行迭代求解;基于该方法和等效质量块对机床立柱结构进行了动力学拓扑优化设计,再对优化后整机进行了动力学仿真.仿真结果表明,该优化设计模型可大大提高机床整机的动、静态特性,同时也验证了所提出的设计模型及优化准则的合理性和有效性.     

基于变密度法的大型天线系统支撑结构优化设计

大型天线支撑结构的合理设计对满足系统刚强度、轴系精度具有十分重要的意义。基于变密度法的拓扑优化方法根据约束条件和目标函数确定结构内材料最优分布,是合理进行支撑结构内部加强筋设计的一种行之有效方法。推导了以位移为约束,结构质量为优化目标变密度拓扑优化模型;针对某大型天线系统的支撑结构原设计方案中质量较大、结构内加强筋设计不合理出现局部应力集中等问题,设计该结构的三维拓扑优化域,运用该模型以天线系统允许的最小变形为约束条件,以质量最轻为目标进行三维支撑结构的拓扑优化设计,结合载荷传递路径,提出大型天线系统支撑结构内部加强筋设计方案,并采用尺寸优化方法对支撑结构外表面的上支架、底座等位置的板筋厚度进行优化,确定了支撑结构的最终优化方案。经验证,该结构在原方案的基础上减重12.5%,且有效地改善了力传递特性,消除了应力集中现象。     

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。     

基于全局优化进行局部优化叠加的大型结构拓扑优化方法研究

针对现有的拓扑优化方法对所指定的设计域内的变量进行全局拓扑优化,从而导致对大型构件拓扑优化时局部区域最佳拓扑结构分布信息丢失的问题,提出一种基于局部结构特性扩散映射的全局拓扑优化方法。该方法首先对设计域内的局部区域进行拓扑优化,得到设计域内局部的优化信息,然后对得到的局部区域优化信息进行整合,得到全局整体的拓扑结构。通过与现有的商业软件ANSYS Workbench和全局优化方法做实验对比,结果表明所提出的优化方法相较于现有的优化方法具有两个优点：第一,所提出的拓扑优化方法可以较好的保留在设计域的局部拓扑结构信息;第二,所提出的拓扑优化方法可以对优化的结构进行尺寸控制。     

基于Optistruct的重型梁结构优化设计

针对重型梁结构的拓扑优化设计,引用了一种基于SIMP变密度插值法的单目标拓扑优化方法。在限定拔模方向的环境下使用Optistruct进行拓扑优化,通过罚函数对相对密度进行惩罚,得到拓扑优化结果。根据优化结果,对梁截面进行二次工艺强化,使刚度、强度、轻量化三者协调统一。     

基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化设计

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。     

Design of Lattice Structures Using Local Relative Density Mapping Method

In order to solve the problem of substantial computational resources of lattice structure during optimization, a local relative density mapping (LRDM) method is proposed. The proposed method uses solid isotropic microstructures with penalization to optimize a model at the macroscopic scale. The local relative density information is obtained from the topology optimization result. The contour lines of an optimized model are extracted using a density contour approach, and the triangular mesh is generated using a mesh generator. A local mapping relationship between the elements’ relative density and the struts’ relative cross-sectional area is established to automatically determine the diameter of each individual strut in the lattice structures. The proposed LRDM method can be applied to local finite element meshes and local density elements, but it is also suitable for global ones. In addition, some cases are considered in order to test the effectiveness of the LRDM method. The results show that the solution time of the LRDM is lower than the RDM method by approximately 50%. The proposed method provides instructions for the design of more complex lattice structures.     

Design of Lattice Structures Using Local Relative Density Mapping Method

In order to solve the problem of substantial computational resources of lattice structure during optimization, a local relative density mapping(LRDM) method is proposed. The proposed method uses solid isotropic microstructures with penalization to optimize a model at the macroscopic scale. The local relative density information is obtained from the topology optimization result. The contour lines of an optimized model are extracted using a density contour approach, and the triangular mesh is generated using a mesh generator. A local mapping relationship between the elements' relative density and the struts' relative cross?sectional area is established to automatically determine the diameter of each individual strut in the lattice structures. The proposed LRDM method can be applied to local finite element meshes and local density elements, but it is also suitable for global ones. In addition, some cases are con?sidered in order to test the e ectiveness of the LRDM method. The results show that the solution time of the LRDM is lower than the RDM method by approximately 50%. The proposed method provides instructions for the design of more complex lattice structures.     

Design Optimization of Irregular Cellular Structure for Additive Manufacturing

Irregularcellular structurehas great potential to be considered in light-weight design field. However, the research on optimizing irregular cellular structures has not yet been reporteddue to the difficulties in their modeling technology. Based on the variable density topology optimization theory, an efficient method for optimizing the topology of irregular cellular structures fabricated through additive manufacturing processes is proposed. The proposed method utilizes tangent circles to automatically generate the main outline of irregular cellular structure.The topological layoutof each cellstructure is optimized using the relative density informationobtained from the proposed modified SIMP method. A mapping relationship between cell structure and relative densityelement is builtto determine the diameter of each cell structure. The results show that the irregular cellular structure can be optimized with the proposed method. The results of simulation and experimental test are similar for irregular cellular structure,which indicate that the maximum deformation value obtained using the modified Solid Isotropic Microstructures with Penalization(SIMP) approach is lower 5.49*10~(-5) mm than that using the SIMP approach under the same under the same external load. The proposed research provides the instruction to design the other irregular cellular structure.     

多载荷工况下无网格Galerkin法的拓扑优化

连续体结构拓扑优化位于产品的概念设计阶段,能够为产品结构的创新提供可能。基于此,提出以节点相对密度作为设计变量,以多载荷工况下结构柔度的加权平均值为目标函数,建立多载荷工况下基于无网格迦辽金法的连续体结构拓扑优化模型,利用Lagrange乘子法来施加本质边界条件,推导出相应的灵敏度计算公式。结合固体各向同性惩罚插值模型编写程序完成两个多工况的拓扑优化算例,并对单、多工况的优化结果进行了比较。所得结果表明,多工况的优化结果并不是单工况结果的简单迭加。同时利用节点密度的最大优势是影响域中的密度与位移具有相同的逼近策略,从而使所建立的模型能有效地提高密度场的连续性,并从模型上抑制了棋盘格现象,该方法的可行性得到验证。     

矿用自卸车车架结构多目标拓扑优化研究

为给矿用自卸车车架结构设计和优化提供参考,针对国产首台300t矿用自卸车工作环境极其复杂、行驶路况极为恶劣以及载重量大而导致车架结构容易破坏失效的情况,采用SIMP变密度法对其进行拓扑优化研究,以多工况下的刚度和一阶振动频率为目标,并利用折衷规划法定义的多刚度和高频率的多目标拓扑优化函数进行优化。依据优化结果设计了新的车架,并比较了经验设计下的车架和新车架的刚度和频率。研究结果表明：采用多目标拓扑优化方法指导设计的车架刚度和频率都有显著提高,改善了车架的使用性能,能使车架更好地在恶劣环境中使用。     

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。     

数控车床主轴箱力学性能分析及拓扑优化设计

以HyperWorks为平台,对某型号数控车床主轴箱进行力学性能分析,基于变密度法,以主轴箱的相对密度为设计变量,主轴箱体积最小为目标函数,主轴箱静力变形和低阶模态为约束,建立拓扑优化数学模型。基于该方法对数控车床主轴箱进行拓扑优化设计。在保证主轴箱性能和不增加质量的前提下,找到了最优结构布局方案,为企业改进其结构提供了理论依据。     

高速转向架轴箱转臂结构拓扑优化设计

采用变密度方法,建立了以结构的总柔度为目标函数,体积为约束的拓扑优化模型.利用有限元软件hyperworks中的拓扑优化工具对列车转向架轴箱转臂结构初始设计方案进行了减重设计.结果表明,基于拓扑优化技术可以得到既经济又安全的结构方案.     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。