面向增材制造的索杆结构节点拓扑优化设计

将连续体结构的拓扑优化技术引入索杆张力结构的节点设计。以肋环人字型索穹顶结构中的若干典型节点为研究对象,使用优化程序Altair Solidthinking Inspire进行给定荷载条件下的静力拓扑优化。优化过程中,以体积约束下最大化刚度以及应力约束下最小化质量为目标。进一步提取优化结果的关键拓扑特征并在Evolve中重建模,得到受力合理、形式新颖且富有设计美感的节点。利用有限元软件ABAQUS对优化节点和原设计节点进行受力性能分析,对优化节点的力学性能作出评价。分析结果表明：对于直接提供刚度的节点,宜以体积约束下的最大化刚度作为首选优化目标;而当节点主要连接构件而不直接提供刚度时,可以最小化质量作为优化目标。最后利用增材制造技术对复杂不规则几何形状的优化节点进行实际制造。     

基于多约束的三分叉铸钢节点拓扑优化研究

针对树状结构三分叉形铸钢节点质量过大的问题,采用拓扑优化方法对其进行轻量化设计,参考相关文献,建立了以节点最小化柔度为目标,以体积分数和疲劳应力两种约束同时作用的连续体拓扑优化数学模型,采用Hyper Works软件对节点进行了拓扑优化设计,生成新的拓扑构型。重点对模型网格划分、拓扑优化单元静态密度云和不同单元密度控制的单元密度等值面进行了研究,对比分析了拓扑优化节点和原始节点的静力学性能。结果表明在考虑体积分数约束的同时,施加应力约束,实现了节点的多约束拓扑优化,解决了节点轻量化设计与抗疲劳设计的矛盾,更加符合实际工程问题的要求。     

基于工程限值约束的结构拓扑优化设计分析

基于固体各向同性材料惩罚密度插值模型,建立近似支撑框架模型,以最大刚度为优化目标,以优化体积比及工程限值为约束条件,对支撑框架结构进行了优化。工程限值约束包括最大、最小尺寸约束,对称性约束以及顶点位移约束等。研究结果表明：当支撑框架中斜撑的斜交角度为39°~59°时,框架具有较好的抗侧刚度;当优化体积比为0.3时,优化后结构顶点位移较原设计域增加19%。引入工程限值约束条件能使拓扑优化后的结果有效应用于实际工程,优化后结构具有框架形态,无不易建造的细微结构,减少了低效材料分布,从而降低造价。     

树状结构的形状语法研究及其结构的生成

通过研究树状结构的形态构成特征,建立了描述其结构拓扑构型的形状语法规则,并探讨了实现语法规则的数据结构。以结构应变能与自重比作为结构性能的评价准则,引入应力比构建形状语法规则的应用策略,并利用所建立的语法规则生成了树状结构的拓扑形态。研究结果表明,相比于完全随机确定结构部位并应用语法规则的结构优化策略,以结构性能评价规则应用后的效果,并引入应力比诱导语法规则的应用过程,提高了结构优化的效率;所提出的形状语法规则可用于树状结构的拓扑生成。     

基于SIMP方法的多约束连续体拓扑优化方法研究

近20年来,SIMP方法由于具有较高的计算效率已成为连续体拓扑优化的主流方法。本文基于SIMP方法提出了一种适用于多约束(包括体积率约束、位移约束、固有频率约束等)的连续体拓扑优化方法,建立了基于SIMP方法的多约束连续体拓扑优化的数学模型、优化计算基本流程和迭代公式,并通过短悬臂梁、简支梁等典型数值算例验证了有效性。本文亦讨论了SIMP拓扑优化的网格依赖性以及过滤半径取值对优化结果的影响。     

考虑稳定性的树状结构形态布局优化研究

为了研究树状结构在满足结构合理受力状态基础上,树状结构形态布局与结构稳定性之间的关系,基于逆吊递推找形法建立树状结构几何模型,考虑结构初始缺陷和几何-材料双重非线性,采用有限元法对树状结构进行结构稳定性计算,分析了管径、相邻级杆外径比、分支节点位置等参数对结构稳定性和失效模式的影响。研究结果表明：在JGJ 7—2010《空间网壳结构技术规程》中规定的幅值下,初始缺陷对结构稳定性影响较小,几何-材料非线性对树状结构稳定性影响较大;主干管径与结构高度之比为0.045时,结构稳定承载力最大,结构单位质量承载力随管径增加呈先增加后趋于水平的变化规律;外径比影响结构失稳形式,结构稳定性随外径比的增加呈先增大后减小的变化规律,外径比为0.8时结构单位质量承载力最大;分支夹角(结构形态布局)对树状结构稳定性影响显著,当分支与主干轴线夹角为30°时,树状结构材料利用率最大,形态布局最优;树状结构稳定性随外侧杆件刚度的增大而显著提高。     

随机地震作用下三维桁架结构拓扑优化

建立了以结构体积最小为目标、指定节点响应方差为约束的优化模型,采用时域显式法分析了随机地震作用下结构响应及其灵敏度,并结合全局收敛的移动渐进线法(GCMMA)求解了结构拓扑优化问题,最后通过三维桁架结构数值算例验证了该拓扑优化的可行性。     

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。     

多约束的桥梁结构拓扑优化

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SIMP的拓扑优化方法,提出一种连续结构的拓扑优化方法。在不同边界条件和多约束条件下,应用提出的方法对一拱桥和一桥的基座进行形态拓扑优化。优化结果表明该方法具有实用性、简洁性和有效性。     

竖向荷载作用下树状结构Y形铸钢节点的拓扑优化研究

针对树状结构Y形铸钢节点质量过大和应力分布不均衡等问题,采用拓扑优化方法对竖向荷载作用下Y形铸钢节点的最优形态进行了研究.首先阐述了拓扑优化的基本原理和计算流程,然后应用HyperWorks有限元软件中的OptiStruct求解器对Y形铸钢节点原始模型进行了拓扑优化,得到了优化后的单元密度云图与单元等值面图,进而分析比选阈值0.9的单元密度等值面节点模型作为拓扑最优模型.最后将该拓扑最优节点与工程中常用的焊接空心球节点模型、基于经验设计的两分叉树状节点模型和基于拓扑优化结果新设计的节点模型共四种铸钢节点模型方案的受力性能进行了对比分析.研究结果表明,拓扑优化节点应力分布最均衡,受力性能最优良,可为铸钢节点的选型设计提供参考,利用拓扑优化方法寻找铸钢节点的最佳形态是有效可行的.     

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。     

Bracing configuration and seismic performance of reinforced concrete frame with brace

Brace has been used to improve structural seismic performance in reinforced concrete (hereafter called RC) frame extensively. However, the reasonable bracing configurations were not highlighted. And the brace buckling was not considered. Bracing configurations and seismic performance of RC frame with brace are studied in this paper. First, optimized bracing configurations of entire structures and 1‐story 1‐span structures are derived by topology optimization using truss‐like material model. Next, the structure models are simulated in OpenSees. Moreover, different bracing configurations are employed. Last, seismic performance and seismic response of RC frame structures with brace are discussed using static nonlinear analysis and dynamic time–history analysis, and brace buckling is considered. The numerical results indicate that more details for manufacturing or constructing can be presented by bracing configuration using truss‐like model. Further, the increase of structural strength and stiffness is more advisable in bracing configuration using topology optimization (hereafter called TPB), which corresponds to optimized result using entire structure than other configurations. The optimized bracing configuration based on 1‐story 1‐span structure is also beneficial within the prescribed conditions. Moreover, the brace buckling can decrease both strength and stiffness, and the buckling can also aggravate the damage extent than the brace without buckling.     

基于改进双向渐进结构优化法的桁架结构拓扑优化

为了将双向渐进结构优化法应用于桁架结构优化设计中,结合能量原理和满应力设计准则,推导了以结构最小应变能为目标函数的优化计算公式,提出了可以应用于桁架结构优化的桁架-双向渐进结构优化(T-BESO)法.T-BESO法以杆件截面面积为设计变量,以结构应变能为目标函数,以应力约束和满应力设计准则为约束条件.在T-BESO法中...     

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化

提出了一种用水平集函数作为设计变量求解连续体结构拓扑优化的方法。优化方法以结构的整体柔度最小为目标函数,以实体材料所占的体积为约束条件,综合采用有限元方法和优化准则法对问题进行求解。该方法与密度惩罚法相比,克服了锯齿形边界,得到了光滑的结构边界;与传统水平集方法相比,不用求解复杂的Hamilton-Jacobi方程,提高了计算效率。在对Heaviside函数正则化处理中,考虑了形状导数和拓扑导数信息,加快了收敛速度。用该方法对梁的拓扑优化设计进行了试算,得到了满意的优化结果。     

薄壳屋盖的造型优化设计研究

以薄壳结构整体应变能最小为目标，建立了薄壳屋盖的形状优化与拓扑优化模型，并提出了薄壳屋盖形状优化与拓扑优化的的求解方法。最后给出了一薄壳屋盖造型优化设计的实例分析。     

Flexible optimum design of a bracing system for façade design using multiobjective Genetic Algorithms

X-bracing systems are widely applied in structural design to limit deflections and guarantee stability. Efficient distribution of bracing over a structure is an important concern and often based on intuition and previous experience. This paper presents a topology optimization procedure for cable bracing of the hanging steel façade of a new museum in the United States. In this procedure the use of a multiobjective Genetic Algorithm allows for flexibility during design modifications and accounts for uncertainty of deflection constraint values. The presented method achieves practical solutions to a series of cost minimizing problems, giving the designer a range of optimal bracing configurations which can be selected in response to the continuously changing structural and architectural requirements throughout the design process.     

基于遗传算法的钢框架优化设计

根据结构优化设计的基本流程,以最轻重量为目标函数,以杆件截面积为设计变量,以现行规范中的强度、刚度、位移限值为约束条件建立了钢框架的优化模型,采用遗传算法结合工程实例进行分析,证实该方法在结构优化设计中的可行性,可供设计参考。