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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>>

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>>

《华中科技大学学报(自然科学版)》2006年08期
华中科技大学学报(自然科学版)

整体式柔性机构的结构拓扑优化设计

柔性机构是通过其部分或全部具有柔性的构件的弹性变形来传递运动或者力的一类机械[1~5].本文主要基于变密度方法中的SIMP密度-刚度插值模型[2]和优化准则法[6],推导了连续体结构拓扑优化设计的变量迭代格式.并以机构的机械增益为优化的目标函数,研究了整体式柔性机构拓扑优化设计的若干重要技术.1连续体结构的拓扑优化连续体结构的拓扑优化问题,是典型的不等式约束非线性规划问题.考虑设计变量侧面约束的拉格朗日乘子1λ,2λ以及对体积约束的拉格朗日乘子Λ,对设计目标函数C(x)构造拉格朗日函数:L=C(xj)+Λ∑nj=1Vjxj--V+∑nj=11jλ(xmin-xj)+∑nj=12jλ(xj-xmax).依据Kuhn-Tucker最优化条件,考虑设计变量xj的侧面约束xmin≤xj≤xmax,则拉格朗日关于设计变量和拉格朗日乘子的驻值条件如下:C/xj+ΛV/xj-1jλ+2jλ=0,(xjmin≤xj≤xjmax);≥0,(xj≤...  (本文共4页) 阅读全文>>

三峡大学
三峡大学

自适应无网格伽辽金拓扑优化方法研究

随着结构拓扑优化方法和无网格法的不断成熟,将无网格方法应用于结构拓扑优化中是一个研究热点。不断深入研究发现,在无网格法拓扑优化离散和求解的过程中依然会存在诸多的问题,如离散点云现象、棋盘格式、计算不稳定、计算效率低等问题。本文针对无网格法求解效率低的问题,提出基于无网格伽辽金法的自适应方法,并将该方法引入二维结构的拓扑优化中,主要研究内容如下:1)基于节点应变能梯度的自适应无网格伽辽金法。以节点应变能梯度的大小作为节点加密准则选出需要加密的节点,然后按照一定的节点加密方法完成对需要加密节点的局部细化,再次根据新的节点分布情况进行下一轮的无网格求解,如此循环计算,有效的提高计算的精度。通过多个典型的算例验证了该自适应无网格伽辽金法的有效性。2)基于上述研究成果,提出以节点相对密度值作为设计变量的自适应无网格伽辽金拓扑优化方法。对于使用无网格方法求解结构拓扑优化时计算效率低,结果存在离散点云及求解困难等问题,在结构拓扑优化无网格离散...  (本文共60页) 本文目录 | 阅读全文>>

大连理工大学
大连理工大学

基于节点密度的拓扑优化设计方法及应用研究

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具有广阔的应用前景。本论文以连续体结构的拓扑优化设计方法作为研究对象,主要讨论了连续体结构拓扑优化结果中数值不稳定问题及解决方法、分析了节点密度法、提出了多输入多输出柔性机构拓扑优化数学模型及其输出耦合的抑制等问题。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,本文研究了以节点密度作为设计变量的优化方法,探讨了节点密度法克服数值不稳定现象的根本原因:它确保了设计区域内的密度场函数具有C_0连续性,从而克服了棋盘格式问题。应用节点密度法对热致动器进行了拓扑优化计算,计算结果表明不需要借助滤波处理,节点密度法就能够得到具有清晰拓扑结构的优化结果,真实的反映了机构的结构细节,同时探讨了一定数量的网格数是求得满意解的必要条件。算例表明该方法能...  (本文共66页) 本文目录 | 阅读全文>>