基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究_图文

1、 子2005,""(10 介绍了将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成,应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化.优化结果为结构详细设计 阶段提供了设计优化区域和原型. 7.学位论文 丁彦闯 铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型应用 2008 当前，随着我国铁路运输的高速、重载化，铁道车辆行业获得了前所未有的发展机遇，同时对车辆的结构设计提出了更高的要求、带来了更大 的挑战。铁路车辆是多学科、多领域交叉耦合的复杂产品，尤其对于时速200km/h以上的高速动车组，其要求性能更高、耦合因素更多。我国的高 速车辆在其研制过程中，尽管借鉴了国外许多先进技术，也

2、采纳了铁路大提速以来车辆行业积累下来的许多成熟技术，但是在整体性能上，与国外 仍有明显差距：在设计方法上，主要是采用“试算验证修改”的传统设计方法，还没有将结构优化设计的理念贯穿于整个设计过程中。因此 ，本文从不同层面上对铁路车辆结构优化设计的方法及应用进行了详细研究，由概念设计的拓扑优化、详细设计的形状(尺寸优化到整体设计的多 学科优化，将结构优化的设计方法应用到铁道车辆结构设计过程的不同层面上。采用现代优化理论进行结构优化设计，是现代铁路车辆产品设计手 段的升华，必将为提升产品质量、缩短开发周期、减少设计盲目性起到重要的推动作用。 在对国内外铁路车辆结构优化设计的现状及结构优化发展概况综述

3、的基础上，采用分层次的研究策略，以铁路车辆结构优化设计为研究目标 ，从概念设计的拓扑优化、详细设计的形状(尺寸优化到整体设计的多学科优化，分别从优化方法、优化策略、实例验证到典型工程应用，进行了 一系列深入研究。归纳起来，本文的主要研究工作如下： (1系统阐述了结构优化的基本理论，概述了结构优化算法的类型和特点，对常用工程优化算法及多学科优化的方法原理进行了详细分析。 (2针对复杂结构优化设计的效率问题，研究了基于近似模型的优化策略。介绍了试验设计常用的方法和原理；分析了响应面近似模型、 kriging近似模型、RBF近似模型及泰勒序列近似的原理和建模要求；给出了近似模型精度的评价标准，并采用

4、算例对RSM、kriging及RBF模型进行 了比较。 (3采用变密度法对转向架轴箱转臂进行了拓扑优化设计；针对应力约束问题，并结合实际工程复杂结构的可操作性，采用考虑接触关系的详 细有限元模型进行强度验证，保证拓扑优化的实用性。该研究为铁路机车车辆结构概念设计阶段优化设计的开展提供了技术范例。 (4分析了位移敏度和应力敏度的求解原理；建立了高速铝合金车体的有限元模型，按规范进行有限元分析；以板厚为设计变量，在有限元分 析基础上计算了车体结构对设计变量的位移敏度和应力敏度；基于敏度的知识信息，给出了结构轻量化的优化方案。为复杂结构基于敏度信息的快 速优化设计提供了可操作的实用方案。 (5对内燃

5、动车组废气涡轮增压器压气机叶片进行了多学科优化研究。建立了叶片三维参数化模型，在保证叶片的气动性能基础上，以叶片不 同位置截面的分布厚度为设计变量，对结构、振动频率进行了多学科可行一体化优化设计，取得了满足条件的最优结果，这一结果亦有典型示范作 用。 (6对铁路车辆主型焊接结构，考虑疲劳损伤约束的多学科优化进行了研究。分析了Goodman疲劳安全系数、线性累积损伤理论以及国外焊接接 头的疲劳评估标准(IIW、BS；提出了虚拟疲劳试验的技术路线，在虚拟样机上实施疲劳试验，预测产品的设计疲劳寿命；对焊接结构多学科优化 进行研究，提出基于近似模型、提高优化效率的多学科可行法；建立了焊接构架疲劳损伤、

6、结构一体化优化模型；开发了Goodman疲劳安全系数、 虚拟疲劳试验损伤计算程序；实现了焊接构架疲劳损伤、结构分析的多软件集成、自动优化技术；并采用基于近似模型的多学科可行方法对焊接构 架进行了疲劳损伤结构多学科优化，在满足应力、疲劳安全系数及焊接接头累积损伤约束下，构架质量减轻11.6，这对车辆轻量化要求下焊接结 构的可靠性设计提供了实用参考。 本课题得到国家“863”高技术研究发展计划项目：复杂产品协同设计、仿真、优化一体化平台研究开发及其应用(项目编号 ：2006AA042160的资助。 8.会议论文 李跃明.孙璞华.刘晓明.胡伯仁 结构优化设计中的概念设计与详细设计及其应用 2007

7、本文通过一个实际案例,说明作为结构的初始设计阶段的拓扑优化技术、后续详细设计阶段的形状优化技术在结构原创性、创新型设计中的运 用及其结果。 9.学位论文 汤颖颖 基于变密度法的连续体拓扑优化设计 2008 结构优化的目的是让设计的结构利用材料更经济、受力分布更合理，而拓扑优化是当今结构优化领域内最具有挑战性的课题。所谓拓扑优化 ，就是要在给定的约束条件下，在一块预先给定的设计区域中决定最优的材料分布方式或者构件之间的最优连接关系。结构拓扑的改进可以大大改 善结构的性能或减轻结构重量，带来直接的经济效益，近年来成为国内外研究热点。拓扑优化是工程师对产品进行创新性概念设计的有力辅助工具 ，尽管在众

8、多学者的不懈努力下，这一领域的研究已经取得了很大的进展，但仍有一些问题值得进一步深入探讨。本文以连续体结构为研究对象 ，分别就拓扑优化的基本理论和方法、解决拓扑优化中数值计算不稳定性的方法及基于变密度法的拓扑优化准则算法等方面进行了比较深入而系统 的研究。论文的主要研究工作： 1、介绍两种工程中应用较多的材料密度插值模型：固体各向同性惩罚微结构模型(SIMP和材料属性的有理近似模型(RAMP。在研究密度插值 法理论和拓扑优化准则基础上，以结构整体柔度最小为目标函数，实体材料所占的体积作为约束条件，利用RAMP密度-刚度插值模型推导相应的优 化准则。 2、针对棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题，

9、计算过程中应用一种密度和敏度混合的滤波技术处理迭代密度场，有效消除优化结构中的棋 盘格式，并使优化结构体现出较好的网格无关性；文中用matlab程序实现了算法，通过几个经典算例证明了本文所研究方法的有效性。 3、针对变密度法中SIMP和RAMP两种模型在惩罚函数方面的不足，提出一种新的Sigmoid惩罚函数。基于新的惩罚函数，应用优化准则法进行优 化计算。通过求解MBB梁和短悬臂梁模型，得到优于传统变密度方法的拓扑结果，验证了改进方法的可行性与有效性。 10.学位论文 王力 模拟退火算法在结构拓扑优化和复合材料铺层优化中的应用 2008 拓扑优化是当今结构优化领域内最具挑战性的课题。所谓拓扑优

10、化，就是要在给定约束条件下，在一块预先给定的设计区域中决定最优的材料 分布方式或者构件之间的最优连接关系。它是工程师对产品进行创新性概念设计的有力辅助工具。尽管在众多学者的不懈努力下，这一领域的研究 已经取得了很大的进展，但仍有一些问题值得进一步深入探讨。 近年来，高性能复合材料的使用促进了层合板优化设计程序的发展。设计复合材料层合板，得到了广泛的关注。 传统的优化方法具有一定的局限性，如需要梯度信息和难以收敛到全局最优解等问题。不依赖于具体问题的直接搜索方法“模拟退火算法”近 年来备受重视。 本论文研究了考虑桁架结构拓扑优化和复合材料铺层的模拟退火算法，各章节的内容安排如下： 第一章概述了拓

11、扑优化和复合材料铺层优化的的研究概况及发展趋势等，给出了本文的研究工作。 第二章介绍了模拟退火算法的基本过程及其基本原理，详细说明了模拟退火算法的物理基础，数学基础，基本流程及其参数选择原则。最后通 过对若干测试函数的计算讨论了指数型退火策略中指数因子的合理取值问题。 第三章中应用模拟退火算法对拓扑优化问题和可行域不连通的优化问题进行求解。通过一系列算例，给出了具有奇异性的桁架结构拓扑优化问 题的结果。并且把本文结果与其它文献计算结果进行对比，显示了本文模拟退火算法求解拓扑优化问题可行性和有效性。 第四章研究了模拟退火算法在复合材料铺层顺序优化中的应用。首先给出了复合材料基本理论，然后通过复合材料铺层顺序优化的算例，结果 表明本文算法是可行的。 本文的研究工作是国家自然科学基金项目“随机激励下结构和声场耦合系统的数值分析和优化设计”(编号10032030和“压电材料结构振动噪 声的优化和控制”(编号10302006的部分内容。 引