分享到:

结构与柔性机构拓扑优化

结构设计过程通常是在方案比较基础上确定结构布局(拓扑形式)后,详细设计零部件的尺寸和形状。形状和尺寸优化通过设计部件尺寸和边界形状实现在一定结构布局下的性能优化。结构布局决定了力、热等的传输路径以及运动方式,布局对结构性能的影响更重要。拓扑优化通过设计材料在一定区域内的合理布置,在设计结构形状和尺寸的同时设计结构的布局,能够获得比形状和尺寸优化更大的优化效益,因而成为优化研究者和工程师广泛关注的问题。由于拓扑描述以及问题求解等方面的困难,拓扑优化也成为优化研究的挑战性课题。目前的研究主要针对结构刚度、自振频率等性能优化问题,建立了基于微结构的拓扑描述方法(包括均匀化化方法、SIMP方法等)以及边界移动方法(几何方法)(包括泡泡法,拓扑导数方法等)。新发展的水平集方法也属于边界移动方法。应用或建立了数学规划法、遗传算法、进化算法等拓扑优化问题的求解技术。科学技术的发展要求结构在满足安全性要求的同时还应具有良好的热、电磁等其他物理性  (本文共168页) 本文目录 | 阅读全文>>

大连理工大学
大连理工大学

拓扑优化的水平集方法及其在刚性结构、柔性机构和材料设计中的应用

结构拓扑优化是优化技术中最具挑战性的研究领域,是一种创新性的设计方法,可同时优化设计对象的拓扑、形状和尺寸,已广泛应用于刚性结构、柔性机构和复合材料微结构设计等方面,对航空航天、微机电系统等领域的发展具有重要价值。本文结合多材料结构的向量水平集表示、材料界面追踪的水平集算法、梯度投影方法、非线性映射技术、返回映射算法和平均曲率流技术,提出了适用于一般目标函数、多载荷工况、多约束和多材料的结构拓扑优化的水平集算法。并研究了这种方法在刚性结构、柔性机构和复合材料微结构设计中的具体应用。同时,又将拓扑导数理论和水平集算法结合起来,提出了结构拓扑优化的拓扑导数与水平集算法,进一步提高了计算效率。文中首先介绍了复合材料宏观参数计算的均匀化方法、结构拓扑优化的密度惩罚法和运动界面跟踪的水平集方法,并结合数值算例详细说明了它们的理论基础、计算步骤和物理本质。在此基础上,提出了多材料设计对象的向量水平集表示,将一般拓扑优化问题描述为一组水平集函...  (本文共160页) 本文目录 | 阅读全文>>

大连理工大学
大连理工大学

柔性机构拓扑优化方法及其在微机电系统中的应用

柔性机构是一种依靠构件自身弹性变形来输出全部或部分运动、力和能量的新型装置。由于柔性机构为无铰链机构,因而具有无运动间隙和无摩擦磨损等优点,在微机电系统、精密定位机构和智能结构等领域有广阔的应用前景。本文对柔性机构的拓扑优化设计方法进行了系统的研究,并应用该方法设计制造夹持毛细管的压电式微夹钳和电热驱动的二维微执行器。针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式等数值计算不稳定性现象,本文提出了一种以节点密度作为设计变量的优化方法,它确保了设计区域内的密度场函数具有C_0连续性,从拓扑优化数学模型描述的本质上克服了棋盘格式问题。算例表明该方法能够有效消除拓扑优化中的棋盘格和网格依赖等数值计算不稳定性现象,而且计算量小于滤波方法,具有良好的实用价值。基于互能原理,建立了以互能和应变能比值作为目标函数的柔性机构拓扑优化数学模型,推导了基于节点密度法的柔性机构敏度计算的解析表达式。对热致动器这一多物理场拓扑优化问题进行了研究,建立了相应的数...  (本文共127页) 本文目录 | 阅读全文>>

西安电子科技大学
西安电子科技大学

不确定性连续体结构拓扑优化和柔性机构设计研究

工程实际中存在着大量的不确定性,在结(机)构设计时就必须考虑这些不确定性因素。对不确定性连续体结构拓扑优化和柔性机构设计进行研究有着广泛的工程背景和重要的理论意义与学术价值。本文对随机或区间参数连续体结构的静力分析、动力特性分析、概率和非概率可靠性拓扑优化、稳健拓扑优化、区间和随机参数分布式柔性机构或随机参数柔性铰链机构的优化设计进行了研究。主要内容如下:1、构建了随机载荷作用下具有随机参数的平面连续体结构静力拓扑优化设计模型,以结构总质量均值极小化为目标函数,以满足单元应力可靠性为约束条件;对应力可靠性约束进行了等价显示化处理;导出了随机参数结构的应力反应数字特征的计算表达式;提出了相应的求解策略和方法。2、在考虑结构物理参数随机性的情况下,建立了以质量均值极小化为目标函数、以拓扑变量为设计变量的基于概率的频率约束下的薄板结构(包括平面应力薄板和弯曲薄板)的动力特性拓扑优化设计模型。对频率概率约束进行了等价显式化处理,导出了随...  (本文共143页) 本文目录 | 阅读全文>>

《机械工程学报》2006年10期
机械工程学报

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

O月叮舀连续体结构拓扑优化设计里程碑式的发展是以B研Ds0E和KIKUeHI[‘]于1955年提出的均匀化方法为标志的。连续体拓扑优化f2]本质上是一种0一1离散变量的整数优化问题。目前已发展出几种具有连续拓扑设计变量的优化模型,可将离散变量的优化问题转变为一个连续变量的优化问题,将基于连续变量的大量成熟有效的导数优化算法应用到拓扑优化中以克服离散变量问题带来的求解困难。均匀化方法[31、变密度方法[4]和水平集方法[5]是三种常用的方法。连续体结构的拓扑优化设计已成为结构优化领域研究的热点,拓扑优化技术已扩展到多个研究领域,如柔性机构的多目标优化设计[6],微型柔性机构的多物理场的优化设计[7],柔性机构的多材料优化设计[8]等。优化准则法[9]是求解连续体结构拓扑优化设计常用的方法。准则法的发展基本上经历了从经验准则到理性准则的过程。经验准则法是在结构优化的初期建立的一些准则,如等强度设计准则、同步失效准则和满应力准则等。理...  (本文共10页) 阅读全文>>

大连理工大学
大连理工大学

拓扑优化方法及其在微型柔性机构设计中应用的研究

拓扑优化是进行结构优化设计的重要方法,它使复杂结构及机构在概念设计阶段即可灵活地、理性地进行方案优选。与形状优化和尺寸优化相比较,拓扑优化的难度最大,也最具有挑战性。本文从微型电子机械系统领域中应用广泛的微小型柔性机构的设计出发,探索性地研究了利用连续体结构拓扑优化技术进行柔性机构设计的问题,分析了拓扑优化中的数值不稳定现象的原因以及相应的解决策略,建立了结构刚性拓扑优化模型和柔性机构拓扑优化的多目标模型,最后,设计研制了用于夹持毛细玻璃管的压电驱动式微夹钳,并对其进行了实验测试。以有限元法为数值计算方法,在Matlab平台上,利用作者自行开发的有限元计算程序,结合MMA优化算法,实现了结构的拓扑优化设计。采用网格独立滤波法解决棋盘格式和网格依赖性问题;利用滤波半径延拓算法避免局部极值现象。优化结果表明,有效地解决了棋盘格式和网格依赖性。通过算例解决了多工况下结构刚性拓扑优化问题。对柔性机构拓扑优化模型进行了改进,并对其凸性进行...  (本文共88页) 本文目录 | 阅读全文>>